Специалист по теории лингвистики, типологии, сравнительно-историческому языкознанию. На ранние (1940-х годов) работы Кацнельсона оказали влияние стадиальные идеи Н.Я.Марра. Занимался также проблемами теории грамматики. В работах 19601980-х годов рассматриваются проблемы связи между языком и мышлением, соотношения слова и понятия, грамматической семантики, предложена типологическая концепция, формулируемая на содержательных основаниях. Кацнельсон изучал акцентологию германских языков, занимался историей лингвистики. Под его редакцией в конце 1970-х и в 1980-х вышла серия коллективных монографий «История лингвистических учений» и примыкающая к ней коллективная монография Грамматические концепции в языкознании XIX века.
Кацнельсон С.Д. К генезису номинативного предложения. М. Л., 1936
Кацнельсон С.Л. Историко-грамматические исследования, ч. 1. Из истории атрибутивных отношений. М. Л., 1949
Кацнельсон С.Д. Содержание слова, значение и обозначение. М. Л., 1965
Кацнельсон С.Д. Сравнительная акцентология германских языков. М. Л., 1966
Кацнельсон С.Д. Типология языка и речевое мышление. Л., 1972