Его внимание неизменно привлекали проблемы, решение которых проясняло существенные закономерности развития человеческого общества. Его исследования отличались широтой замысла, точностью и определенностью выводов. Научные интересы Петрушевского включали в себя большой круг вопросов западноевропейской средневековой истории. Однако, какими бы частными темами он ни занимался, все они сознательно увязывались им с коренными проблемами развития феодализма. Такой подход ученого естественно вытекал из его понимания природы и задач исторической науки. Для Петрушевского история всегда являлась дисциплиной, призванной давать широкие социологические обобщения, раскрывающие закономерности общественного развития. Именно в установлении этих последних он видел главную задачу исторической науки.
Петрушевский обращается к систематическому исследованию западноевропейского Средневековья параллельно с интенсивной разработкой методологических проблем исторической науки. Основные темы его трудов: история средневековой Англии и более широко – социально-экономическая и политическая история европейского Средневековья, преимущественно раннего. Исследования в области истории английского феодализма охватывали широкий круг проблем – от становления феодальных отношений до политической борьбы в английском средневековом обществе. Основное внимание было уделено изучению социально-экономических отношений социальной борьбы в английской деревне XIV века, кульминационным пунктом этой борьбы явилось восстание Уота Тайлера.
В научной деятельности Петрушевского заметное место занимают статьи и публикации источников, переводы зарубежных историков, вступительные статьи к ним – Дж. Брайт, У.Д. Эшли, У. Ризон, фон Белов, М. Вебер. Кроме того, были отдельные работы, посвященные проблемам древней истории («Общество и государство у Гомера», 1896) и историографии. Многое не было опубликовано – курс по истории средневековой Франции, материалы по истории лоллардизма и др.
На протяжении всей своей жизни Петрушевский занимался преподаванием. Его семинары были подлинной школой научной работы, где главная роль отводилась глубокому изучению исторических источников. Для Петрушевского было характерно внимательное отношение к студентам, которым он уделял много своего времени. В его семинарах занимались такие видные историки, как Е.А. Косминский, А.И. Неусыхин, В.М. Лавровский, М.М. Спирин, И.А. Мошкин, А.С. Иерусалимский, Л.В. Черепнин, И.С. Макаров, А.Н. Насонов, Н.В. Устюгов и Б.Д. Греков.
