Il est célèbre pour avoir donné naissance à l'Encyclopédie avec Denis Diderot.

Dans le Traité de dynamique, il énonce le théorème de d'Alembert (aussi connu comme le théorème de Gauss-d'Alembert) qui dit que tout polynôme de degré n à coefficients complexes possède exactement n racines dans . Ce théorème ne sera démontré qu'au XIXe siècle par Carl Friedrich Gauss.

On lui doit également le critère de d'Alembert pour la convergence des séries numériques :

Soit une série à termes strictement positifs pour laquelle le rapport tend vers une limite . Alors :

• si L<1, la série de terme général converge,
• si L>1, la série de terme général diverge,
• si L=1, on ne peut conclure.

Il étudia aussi les équations différentielles et les équations à dérivées partielles.

En astronomie, il effectua les calculs du phénomène d'équinoxe pour obtenir des résultats numériques en accord avec l'observation. D'Alembert fit également progresser le difficile problème de l'explication du mouvement lunaire. En ce sens, il est le précurseur de la Mécanique céleste de Laplace.

En physique, en 1743 dans son Traité de dynamique, il énonce le principe de la quantité de mouvement, qui est parfois appelé principe de d'Alembert.

Il énonce dans ses Éléments de musique en 1752, l’équation de d'Alembert comme solution du problème de la corde vibrante. C'est historiquement la première équation d'onde.