Genom en lång följd experiment utforskade Russell lagarna för vattnets motstånd mot flytande kroppars rörelse och framställde 1835 sin "vågteori". Vågteorin låg till grund till förbättrade egenskaper av fartygsskrovs bottenform i att minimera dess motstånd när fartyget gör fart genom vatten, därigenom kunde skrovet uppnå en större fart vid mindre åtgång av energi än det tidigare varit möjligt. Detta system tillämpade Russell tillsammans med Isambard Kingdom Brunel vid konstruktionen och byggandet av ångaren "Great Eastern". Han utförde även ritningsunderlaget till den första engelska pansarfregatten. Russell uppfann möjligheten med transporter av rälsbunden trafik över sjön ombord på färjor, systemet blev först förverkligat på Bodensjön. Russell konstruerade den koniska järnkupolen med en diameter av 108 meter till Rotundan inför Världsutställningen 1873.