Научные работы Паренаго посвящены изучению строения Галактики, исследованию структуры и динамики звездных систем, изучению переменных звезд. В 1921–1922 ученый начал систематические визуальные наблюдения переменных звезд. Всего изучил ок. 600 переменных звезд разных типов, установил их фотометрические, кинематические характеристики, статистические связи между различными параметрами. Результаты исследований переменных звезд использовал при решении общих вопросов строения Галактики. Составил сводный каталог основных характеристик звезд – параллаксов, собственных движений, лучевых скоростей, спектральных классов и др. Обобщение и анализ этого большого материала позволили ему сделать ряд важных выводов, например обосновать существование последовательности субкарликов, расположенной на диаграмме Герцшпрунга – Ресселла под главной последовательностью. Совместно с Б.В.Кукаркиным развил представление о звездных подсистемах Галактики, изучал строение и кинематику разных подсистем. Совместно с А.Г.Масевич нашел (1949–1950), что каждой последовательности на диаграмме Герцшпрунга – Ресселла соответствует своя форма связи между массой и светимостью звезд. Разработал методы определения функции светимости и оценки полного числа звезд в галактических подсистемах, построил теорию гравитационного потенциала Галактики. В 1940 разработал теорию поглощения света темными туманностями и предложил методы учета этого эффекта. Особое внимание уделял изучению туманности Ориона и объектов, находящихся в этой туманности. Изучил движение Солнца относительно 591 звезды в сфере радиусом 20 пк и определил галактическую орбиту Солнца в виде эллипса, эксцентриситет которого равен 0.30, большая полуось – 10 кпк, а расстояние Солнца от галактического центра в нашу эпоху составляет 7.8 кпк (значение, весьма близкое к современному).
В 1947 впервые определил скорость и направление движения Галактики по отношению к ее соседям. В 1955 предложил комплексный план исследования избранных участков Млечного Пути, в выполнении которого приняли участие многие обсерватории. Написал первый в мировой литературе учебник по звездной астрономии (1938), который неоднократно переиздавался. Был одним из авторов «Общего каталога переменных звезд», а также монографии Переменные звезды (т. 1–3, 1937–1947); вместе с Кукаркиным написал книгу Переменные звезды и способы их наблюдения (1-е изд. 1938, 2-е изд. 1947). Автор ряда научно-популярных книг.
В 1953 Паренаго организовал при Астрономическом совете АН СССР Комиссию по звездной астрономии и возглавлял ее до конца жизни. Первый лауреат премии им. Ф.А.Бредихина АН СССР (1948).
Умер Паренаго в Москве 5 января 1960.
Воронцов-Вельяминов Б.А. Павел Петрович Перенаго (1906–1960). – Историко-астрономические исследования, вып. 7. М., 1961
Шаров А.С. П.П.Паренаго и его жизнь в науке. – Историко-астрономические исследования, вып. 16. М., 1983
