Создал и применил новые методы исследования движений человека.
Анализ полученных результатов позволил Бернштейн сформулировать положение о том, что приобретение навыка обусловлено не повторением одних и тех же иннервационных команд, а выработкой умения каждый раз заново решать двигательную задачу. Бернштейн показал, что движение направляется моделью потребного будущего. Созданная им общая теория построения движений (см. Уровней построения движения концепция) изложена в монографии "О построении движения" (1947). Последующие работы Бернштейна посвящены изучению основ физиологии активности.