Главные работы Клаузиуса посвящены основам термодинамики и кинетической теории газов. Он первым дал строгую формулировку принципа эквивалентности теплоты и работы. В 1850 независимо от У.Ранкина получил соотношение между этими величинами (первое начало термодинамики) и разработал идеальный термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина – Клаузиуса). В том же году (одновременно с У.Томсоном) дал первую формулировку второго начала термодинамики: «Теплота не может сама собою перейти от более холодного тела к более теплому». В 1865 ввел понятие энтропии, установил ее важнейшее свойство: в замкнутой системе энтропия либо постоянна (обратимые процессы), либо возрастает (необратимые процессы), показав тем самым, что изменение энтропии определяет направление, в котором протекает данный процесс. Высказал идею «тепловой смерти» Вселенной, распространив на нее принцип возрастания энтропии. Ошибочность этой идеи доказал впоследствии Л.Больцман.

Клаузиус внес большой вклад в развитие молекулярно-кинетической теории газов. Он впервые применил здесь новый подход – так называемый метод средних величин (то, что теперь называется статистическими методами), объяснил с единых позиций такие разные явления, как внутреннее трение, теплопроводность, диффузия. Ввел понятие средней длины свободного пробега молекул и в 1860 вычислил ее величину, что в дальнейшем позволило оценить размер молекул. Обобщил уравнение газового состояния Ван-дер-Ваальса, выявил смысл уравнения, связывающего температуру плавления (или кипения) вещества с давлением (уравнение Клапейрона – Клаузиуса).

Помимо этого, Клаузиус разработал теорию поляризации диэлектриков, из которой независимо от О.Моссотти вывел соотношение между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью (формула Клаузиуса – Моссотти).

Умер Клаузиус в Бонне 24 августа 1888.