Faltinsens fagområde er marin hydrodynamikk og hvordan strømning både eksternt og i tanker virker på oppførselen av skip og marine konstruksjoner. Han har skrevet tre lærebøker i emnet på engelsk. Den første læreboken er oversatt til kinesisk og koreansk. Den andre læreboken er oversatt til kinesisk. Faltinsen har utviklet teoretiske og numeriske metoder for hvordan deplasementsskip, hurtiggående fartøy og offshore-konstruksjoner oppfører seg i bølger. Den såkalte STF-metoden (Salvesen-Tuck-Faltinsen ) for bølgeinduserte bevegelser og belastninger på skip, presentert i 1970, er fremdeles brukt i ingeniørvirksomhet. Han har sammen med Rong Zhao utviklet viktige numeriske metoder for analyse av slamminglaster (væskeslag) på skip og har analytisk studert hvordan store slamminglaster samvirker med en konstruksjon og skaper dynamiske hydroelastiske effekter. Faltinsen har sammen med Alexander Timokha utviklet metoder for analyse av ikke-lineære væskebevegelser i tanker (sloshing) ved hjelp av variasjonsregning og perturbasjonmetoder.