Cartan var kjent for sine arbeider innen algebraisk topologi, kompleks analyse med flere variabler, og homologisk algebra. Sammen med Samuel Eilenberg skrev han boken (1956), som ble et viktig standardverk innen området. Seminarene hans, Le séminaire Cartan, som han hadde ansvar for i årene 1948-1964, fikk stor innflytelse på den tidlige etterkrigstidens matematikk, og blant de aktiva deltagerne på seminarene kan nevnes Jean-Pierre Serre og Alexander Grothendieck.