Одним из первых Владимирцов применил в своих исследованиях методику современной ему лингвистики как в области сравнительно-исторических исследований, так и в описании современных языков. Его главный лингвистический труд Сравнительная грамматика монгольского письменного языка и халхаского наречия (1929; 2-е изд. 1989) включает в себя генетическую классификацию монгольских языков и наречий, очерк их истории и описание фонетики и письменности. Переводил и комментировал монгольские памятники, в частности героический эпос. Владимирцов – автор работ по истории монгольских народов: Чингис-хан (1922); Общественный строй монголов. Монгольский кочевой феодализм (1934).