Som en av grunnleggerne (den andre var Nikola Tesla) av trefasede elsystem, utviklet han den trefasede elektriske generator og en trefase elektrisk motor (1888) samt studerte stjerne- og deltakoblinger. Trefasesystemet triumferte i Europa ved den internasjonale elektrotekniske utstillingen i 1891, der Dolivo-Dobrovolskij benyttet dette systemet for å overføre elkraft på en avstand av 176 km med 75% effektivitet. I 1891 skapte han også en trefasetransformator og den kortslutne rotoren.