Его диссертация 1904 года была посвящена решению 19-ой проблемы Гильберта. Им найдены условия аналитичности решений уравнений второго прорядка эллиптических и параболических типов; развиты новые методы решения граничных задач для нелинейных уравнений эллиптического типа; совместно с учениками создана новая ветвь теории функций — конструктивная теория функций. При доказательстве аппроксимационной теоремы Вейерштрасса Бернштейном были построены полиномы, оказавшиеся полезными в самых разных областях математики. Теперь их называют полиномами Бернштейна.

В теории вероятностей Бернштейном предложена первая (1917) аксиоматика; продолжены и в определённом смысле завершены исследования петербургской школы Чебышёва — Маркова по предельным теоремам; разработана теория слабозависимых случайных величин; исследованы стохастические дифференциальные уравнения и указан ряд применений вероятностных методов в физике, статистике и биологии.

академик АН СССР (1929; чл.корр. 1924)

член Немецкого союза математиков (1926)

член Французского математического общества (1944)

почётный доктор наук Алжирского университета (1944)

почётный доктор наук Парижского университета (1945)

академик Парижской АН (1955; чл.корр. 1928);

Сталинская премия (1942).