А.А. Борисяк внес заметный вклад в развитие региональной геологии России. В 1897—1899 гг. он проводил геологическую съемку Изюмского уезда Харьковской губернии, результаты которого (дополненные материалами В.А. Наливкина) были представлены в насчитывающем более 400 страниц труде «Геологический очерк Изюмского уезда и прилежащей полосы Павлоградского и Змиевского уездов. Северо-западная окраина Донецкого кряжа», который был издан Геологическим комитетом (СПб., 1905). Эта работа была высоко оценена ведущими русскими геологами. Впоследствии акад. Н.С. Шатский, характеризуя первый большой труд Борисяка, писал, что в русской геологической литературе это была первая работа, «где теоретически сложные вопросы решались на основе изучения не только геометрии структуры, но и изучения фаций и условий залегания горных пород». Вынужденный переехать в Крым из-за обострившегося туберкулеза позвоночника (последние тридцать лет своей жизни он носил специальный кожаный корсет с металлическими пластинами), Борисяк продолжил там свои палеонтологические и геологические изыскания. Он высказал ряд новых представлений о тектонике Крыма и, подчеркнув роль поперечных нарушений (он назвал их горизонтальными флексурами), описал магматизм, исследовал оползни и обвалы на южном берегу Крыма и выяснил их основные типы, составил стратиграфические разрезы для южного и части северного берега Крыма, палеонтологически обосновав выделение юрских отложений. Он также был одним из авторов 10-верстной геологической карты Крыма (1910), составленной под общей редакцией К.К. Фохта.
В своих геологических работах, в первую очередь, в области тектоники и палеографии, А.А. Борисяк уделял неизменное внимание теоретическим вопросам. Основываясь на теории геосинклиналей, которую он дополнил и развил, Борисяк построил концепцию формирования земной коры (она легла в основу его «Курса исторической геологии»). Историю Земли он рассматривал как единый процесс развития физико-географических условий и органической жизни.
Палеонтологию Борисяк рассматривал как биологическую науку, включающую морфологию, систематику, эмбриологию, филогению и изучение условий обитания ископаемых организмов. Он исследовал пластинчатожаберных моллюсков юры Европейской России, мезозоя и кайнозоя Крыма, Кавказа, Средней Азии и Сибири; головоногих моллюсков юры, крабов мела и др., но наибольшую известность получил как специалист по фауне кайнозойских млекопитающих (до его работ на территории нашей страны были изучены в основном млекопитающие более позднего, четвертичного, периода). Борисяк подробно изучил и описал многих представителей древней фауны млекопитающих, в том числе гигантского индрикотерия, а также разнообразных представителей копытных, что позволило по-новому взглянуть на вопрос о центрах формирования древней фауны наземных позвоночных и о направлениях их миграции. Кроме того, Борисяк – автор учебников по палеонтологии (Курс палеонтологии: В 3 ч. М., 1905—1906; Пг., 1919) и исторической геологии (Курс исторической геологии. СПб., 1922; 4-е изд. Л.; М.: ОНТИ, 1955) и научно-популярных работ (напр., очерка «Русские охотники за ископаемыми», опубликованного в качестве дополнения к русскому изданию книги Ч.Г. Штернберга «Жизнь охотника за ископаемыми» (2-е изд. М.; Л.: ОНТИ, 1936).
