Фортунатов внес значительный вклад в два направления лингвистических исследований: индоевропейские исследования и общую теорию грамматики. Как индоевропеист, он стал одним из первых крупных российских младограмматиков, обучавшись у виднейших представителей этой школы в Германии. Его важные работы касаются индоарийской и балтославянской исторической фонетики, а также акцентологии. Фортунатову принадлежат два звуковых закона: "закон Фортунатова" и "закон Фортунатова-де Соссюра", описывающие эволюцию звуков и ударения в языках.
В области общей теории грамматики Фортунатов разработал оригинальные теоретические взгляды на морфологию, включая понятия грамматической формы, словоизменения и формообразования, а также классификацию частей речи на основе морфологических критериев. Его работы способствовали развитию отечественной грамматической традиции и подготовили почву для российского структурализма, повлияв на таких учеников, как А. А. Шахматов и Н. С. Трубецкой. Его жесткий научный стиль и приверженность строгим методам также оказали влияние на лингвистов последующих поколений.