Научные исследования посвящены процессам автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом; разработке теоретических основ создания автоматов для сварки и сварочных источников питания; проблемам управления сварочными процессами; созданию перспективных конструкций и функциональных материалов будущего. Под его руководством создан принципиально новый способ сварки – электрошлаковый. Возглавил исследования по применению сварочных источников теплоты в целях повышения качества выплавляемого металла, основал новую отрасль металлургии – спецэлектрометаллургию. Первым начал и активизировал исследования в области применения сварки и родственных технологий в космосе, создания космических конструкций, является признанным лидером в этой сфере научно-технической деятельности. Главный инициатор уникальной технологии сварки живых тканей, используемой в хирургии. Автор и соавтор более 720 изобретений (500 иностранных патентов), более 1200 разнообразных публикаций, в том числе 20 научных монографий, включая: Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. – М.: Машиностроение, 1966. – 359 с., черт. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудования для контактной сварки. – М.: Машиностроение, 1969. – 440 с., ил. Патон Б.Е., Спыну Г.А., Тимошенко В.Г. Промышленные роботы для сварки. – К.: Наукова думка, 1977. – 228 с. Патон Б.Е., Медовар Б.И., Бойко Г.А. Электрошлаковое литье. – К.: Наукова думка, 1980. – 191 с. Патон Б.Е. Наука. Техника. Прогресс. – М.: Наука, 1987. – 414 с. Патон Б.Е., Лапчинский В.Ф. Сварка и родственные технологии в космосе. Особенности и перспективы. – К.: Наукова думка, 1998. – 183 с., ил. Патон Б.Е. и др. Космос: технологии, материаловедение, конструкции: Сб.научн.трудов / Под ред.Б.Е.Патона., А.А.Загребельный (сост.). – К.: ИЭС им.Е.О.Патона, 2000. – 528 с. Патон Б.Е., Тригуб Н.П. Ахонин С.В., Жук Г.В. Электронно-лучевая плавка титана – К.: Наукова думка, 2006 – 246 с. Член секции наук о материалах ОХМН РАН; председатель Научного совета «Новые процессы получения и обработки металлических материалов» РАН; председатель Межведомственного совета по координации фундаментальных исследований НАН Украины; председатель Совета президентов академий наук Украины; председатель Научно-координационного и экспертного совета по вопросам ресурса и безопасности эксплуатации конструкций, сооружений и машин НАН Украины; председатель совета по космическим исследованиям НАН Украины; председатель комитета по системному анализу НАН Украины. Возглавляет и входит в состав редакционных коллегий многих научно-технических журналов и других изданий. Член Международного комитета по научно-техническому развитию стран СНГ; возглавляет Международный научный совет по сварке и родственным технологиям; председатель Координационного совета межгосударственной программы «Высоконадёжный трубопроводный транспорт»; член правления Международной топливно-энергетической ассоциации; член попечительского совета Международного фонда ядерной безопасности. Действительный член (академик) Академии Европа; Международной академии наук, образования, индустрии и искусств (США); Международной астронавтической академии (США); Национальной академии прикладных наук России; Академии проблем безопасности, обороны и правопорядка (РФ); Петровской академии наук и искусств (С.-Пб., РФ). Ключевые слова Металлургия и технология металлов. Электросварка и использование методов электросварки в металлургии.