По окончании университета (1899) Розанов был оставлен на кафедре русской литературы, готовился к профессорскому званию и преподавал в различных учебных заведениях. В сферу его научных интересов входила в основном русская поэзия. В 1914 вышла его первая работа Русская лирика. От поэзии безликой – к исповеди сердца. Историко-литературные очерки. Из задуманных нескольких томов продолжения был написан только один том (не издан). Розанов выпустил две книги собственных стихов – Только о ней (1915) и Призраки звезд (1916)

После Октябрьской революции Розанов продолжил филологические исследования в области русской поэзии: Пушкинская плеяда (1923), Некрасов, жизнь и судьба (1924), Поэты двадцатых годов XIX века (1925), Путеводитель по русской литературе (1927), Русские лирики ХХ века (1929) и др. В 1928 издательство «Никитинские субботники» выпустило его книгу Литературные репутации. Основываясь на неизвестных фактах из истории русской поэзии, Розанов рассказал о судьбах русских писателей, о природе их успеха и славы, о смене литературных поколений («разрушитель авторитетов становится – и в этом ирония судьбы и возмездие – сам авторитетом»). Знаток и исследователь фольклора, Розанов посвятил ему в Литературных репутациях главу О популярных песнях и их авторах. Много сделал для установления авторства русских песен, считавшихся народными. Так, им было установлено, что песня Шумел-горел пожар московский имела своим литературным источником стихоторение Н.Соколова. Розанов написал специальное исследование о народных вариантах песни М.Исаковского Катюша. Литературоведы отмечали, что Розанов создал новый тип книги, посвященной изучению какой-либо одной литературоведческой проблемы. Он включал в литературоведческие исследования свои личные впечатления, мотивы поэтики и книговедения. В его архиве остались многочисленные работы по стиховедению, истории русского стиха и русской поэзии, наброски будущих работ, альбомы с автографами и фотографиями поэтов, которых Розанов знал лично, мемуары о А.А.Блоке, Брюсове, С.А.Есенине. Он является составителем нескольких поэтических антологий с обширными комментариями. Ученому был присущ интерес к новым литературным именам. Одним из первых филологов Розанов обратил внимание на творчество В.Маяковского, И.Сельвинского, Н.Асеева, В.Каменского, С.Кирсанова. В течение жизни Розанов написал более 300 работ.

Страстный библиофил, он собрал в своей домашней библиотеке прижизненные издания многих русских классиков, некоторые с авторской правкой. Его собрание русских поэтических книг писатель Е.Осетров назвал «литературной Третьяковской галереей». Каталог библиотеки Розанова (после смерти ученого она была передана его вдовой в дар Государственному музею А.С.Пушкина) составляет 500 страниц.

Розанов стал одним из основателей современного отечественного книговедения. Книговедческим проблемам посвящены его работы Книги и люди в XIX веке (1925), Запрещенные книги 2-й половины XIX века (1941), О редкой книге (1959, по материалам личной библиотеки автора). Будучи сотрудником научной библиотеки Государственного исторического музея (1919–1941), организовал в ней отдел истории русской книги.

Умер Розанов в Москве 22 ноября 1959.