Основные работы в области небесной механики, в которой Лаплас достиг выдающихся результатов, подытожены в пятитомнике "Трактат о небесной механике" (1798-1825). Ученый сделал почти все то, что не смогли сделать его предшественники для объяснения движения тел Солнечной системы на основе закона всемирного тяготения. Лаплас решил сложные проблемы движения планет и их спутников, Луны, разработал теорию возмущений небесных тел, предложил новый способ вычисления их орбит, доказал устойчивость Солнечной системы в течение очень длительного времени, открыл причину ускорения в движении Луны. Он предложил (1796) гипотезу происхождения Солнечной системы.

Физические исследования Лапласа относятся к молекулярной физике, теплоте, акустике, электричеству, оптике. В 1821 году он установил закон изменения плотности воздуха с высотой (барометрическая формула). В 1806-1807 годах ученый разработал теорию капилярности, впервые используя представление, что молекулярное притяжение обнаруживается лишь на малых расстояниях, дал формулу для определения капиллярного давления (формула Лапласа). Он вывел (1816) формулу для скорости звука в газах с поправкой на адиабатность. Вместе с Лавуазье Лаплас впервые применил для измерения линейного расширения тел зрительную трубу, при помощи сконструированного ими ледяного калориметра определил (1783) удельные теплоемкости многих веществ. Ученый активно выступал против гипотезы флогистона, придал общий вид закону Био-Савара в электродинамике. Как председатель Палаты мер и весов Лаплас активно внедрял в жизнь новую метрическую систему мер.

В философии естествознания Лаплас стоял на позициях стихийного материализма, его взгляды были близки к взглядам французских материалистов. В математике ученый известен "оператором Лапласа", "интегралом Лапласа", "уравнением Лапласа". Он является одним из создателей теории вероятностей.

Член Петербургской АН (1802).