Буслаев был приверженцем сравнительно-исторического метода. В 1858 году он опубликовал учебное пособие «Опыт исторической грамматики русского языка», а в 1863 году переиздал эту книгу под названием «Историческая грамматика русского языка». Это был первый труд по русской исторической грамматики. Под исторической грамматикой Буслаев понимал сведения не только о грамматической системе, но и обо всех основных подсистемах языка в их историческом развитии. В центре научных интересов Буслаева находились изучение диалектов и связь истории языка с историей страны. Буслаев рассмотрел звуковую систему русского языка в его развитии, морфологические и синтаксические изменения с древности и до середины XIX века. Ученый обращал внимание на экспрессивную, образную сторону языка. Он развивал учение о разграничении морфологических и синтаксических признаков частей речи и отождествлял логические и грамматические категории, трактуя синтаксис как воплощение логической структуры. Предложенная Буслаевым классификация второстепенных членов предложения и типов придаточных предложений используется и сегодня. Также используется до сих пор введенная им классификация трех типов сочинительной связи: присоединительный, противительный и разделительный. Буслаев полагал, что язык науки должен быть понятен широкой аудитории. Как вспоминал профессор Казанского университета Евгений Федорович Будде, «обнаруживши всю несостоятельность построения русской грамматики по образцу грамматики мертвых классических языков, Буслаев вдохнул живую душу в преподавание и преподавателей русского языка; он дал нам грамматику современного нам русского языка, а не чужого. Посмотрим, как отразилось это в дальнейших учебниках по русскому языку. Всякому известно, что одним из трудных и непонятных вопросов современного нам русского языка является вопрос о разделении имен существительных на склонения. Причина запутанности этого вопроса заключается именно в схоластическом намерении составителей учебников, различных грамматистов подделать русское склонение под шаблон склонений в мертвых языках, а Буслаев попробовал обойтись только средствами русского языка и сближением его со старославянским, влияние которого на книжный русский язык было выяснено им с достаточной ясностью. Отсюда получается в изложении этого вопроса Буслаевым простота и ясность, и после него появился целый ряд учебников, которые и до сих пор единственным основанием для деления имен существительных на склонения в русском языке признают те основания, находящиеся в самом русском языке нашего времени, которые признаны и Буслаевым».
В труде «Исторические очерки русской народной словесности и искусства» (в 2 т., 1861) Буслаев рассматривал произведения фольклора как «осколки древних мифов». Он разделял взгляды сторонников миграционной теории, объяснявшей сходство фольклорных сюжетов и эпизодов у разных народов заимствованием, в противоположность сторонникам параллельного развития сходных культурных явлений. Буслаев полагал вероятным заимствования сюжетов и мотивов европейского фольклора с Востока. Начиная с 1870‐х годов интересы ученого были сосредоточены в основном на изучение иконографии, стенной живописи, книжного орнамента и других видов древнерусского искусства. Буслаев сопоставлял русское средневековое искусство с византийским и западноевропейским. Он написал двухтомный «Русский лицевой апокалипсис. Свод изображений из лицевых апокалипсисов по русским рукописям с XVI века по XIX» (1884), где проследил связь между памятниками искусства, литературы и фольклора.
Кроме того, Буслаев является автором книг: «Русская поэзия XVII в.» (1852), «Русские пословицы и поговорки» (1854), «Исторические очерки русской народной словесности и искусства» в 2 т. (1861), «Историческая хрестоматия церковнославянского и древнерусского языков» (1861), «Испанский народный эпос о Сиде» (1864), «Общие понятия о русской иконописи» (1866), «Задачи современной эстетической критики» (1868), «Бес. К истории московских нравов XVIII в.» (1881), «Учебник русской грамматики, сближенной с церковнославянскою, с приложением образцов грамматического разбора» (1874), «История русской литературы» (1876); «М.П. Погодин как профессор» (1876), «И.М. Снегирев. 1793–1868», «Мои воспоминания» (1897), «Русский быт и предания» (1897) и др.
