Pedersens fagområde var den sammenlignende indoeuropeiske språkvitenskapen. Han konsentrerte seg særlig om slavisk, keltisk, hettittisk, lykisk, armensk, tokarisk og albansk. Han utga en («Sammenlignende grammatikk over de keltiske språkene»), som fremdeles regnes som et referanseverk innenfor sammenlignende keltisk språkvitenskap. Hans («Hettittisk og de andre indoeuropeiske språkene») var av stor betydning for studiet av hettittisk, og hans («Tokarisk med utgangspunkt i den sammenlignende indoeuropeiske språkforskningen») var viktig for studiet av tokarisk. Pedersen er også kjent for Pedersens lov, et aksentskifte som forekommer i de baltiske og slaviske språkene. Han formulerte dessuten ruki-loven, et viktig lydskifte i de indo-iranske, baltiske og slaviske språkene. To av hans teorier har fått mye oppmerksomhet i de siste årene, nemlig glottalteorien og nostratteorien.