Ved olsaksamlingen arbeidet Mowinckel med norsk middelalderkunst. Han tok doktorgraden i 1927 med en avhandling om . Før sin tidlige død rakk han å utgi en del mindre avhandlinger, blant annet om «Våre stavkirkers oprinnelse» (1927), «Har vi hat fæstningskirker her i landet i middelalderen?» (1928), om «Det monumentale Olavsbillede» (1928) og om «De eldste norske stavkirker» (1929). Han utga også en bok om (1927).