Основные труды Шкловского связаны с созданием современной эволюционной астрофизики. Он – автор количественной теории солнечной короны и теории ионизации и радиоизлучения Солнца. Выполнив теоретические расчеты коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения короны и хромосферы, Шкловский предсказал, что в области длин волн короче 150 нм спектр Солнца должен состоять из дискретных эмиссионных линий. Указал на роль этого излучения в образовании нижних слоев ионосферы Земли. Впервые сформулировал один из распространенных механизмов генерации всплесков солнечного радиоизлучения: прохождение через корону ускоренных частиц вызывает плазменные колебания (1944–1949). Расчетным путем показал, что интенсивность радиоволн нейтрального водорода (длина волны 21 см) в Галактике достаточна для их обнаружения с помощью имевшегося тогда (1949) оборудования. Спустя два года линия 21 см была обнаружена, что доказало возможность детального изучения строения и динамики межзвездной среды. В 1953 аналогичные расчеты были проведены им для линий других межзвездных молекул – OH, CH и некоторых других.

Еще одно направление исследований Шкловского – остатки вспышек сверхновых. Ученый отождествил с этими объектами определенный класс дискретных радиоисточников и истолковал их излучение как проявление совершенного особого эмиссионного механизма – синхротронного (излучение электронов высокой энергии в магнитном поле). Это позволило объяснить периодичность свечения Крабовидной туманности (остатка вспышки Сверхновой 1054 года) во всем наблюдаемом диапазоне длин волн – от рентгеновского до радио – с помощью единого физического процесса (1953). Синхронная природа радиоизлучения остатков сверхновых стала однозначным доказательством того, что эти объекты являются важнейшими источниками первичных космических лучей в Галактике. Широкое признание получил также цикл работ Шкловского о природе планетарных туманностей (1955). Он предложил эволюционную модель, согласно которой планетарные туманности образовались как закономерный этап развития красных гигантов умеренной массы.

Шкловский плодотворно работал и во многих других областях современной астрофизики (излучение квазаров, природа рентгеновских и гамма-источников), принимал активное участие в постановке астрономических космических исследований (эксперимент «искусственная комета», 1960), многие его ученики стали известными учеными. Известен он и своей научно-популяризаторской деятельностью. Проявил себя также как блестящий мемуарист. Шкловский был действительным членом многих зарубежных академий наук, членом-корреспонтентом АН СССР. Умер Шкловский в Москве 3 марта 1985.