Ф.Ф. Фортунатова характеризуют внимание к живому языку, бережное отношение к произведениям народного творчества, подчёркивание важности для истории языка изучения территориальных народных говоров, нередко сохраняющих черты глубокой древности и различающихся между собой даже на незначительном расстоянии в этимологическом, фонетическом и лексическом отношении. Выдвигалось требование высокой степени точности фактического материала и его глубокого теоретического осмысления. Учёный стремился к созданию целостных описаний диалектов (на материале литовского языка, которым Ф. Ф. Фортунатов занимался всю жизнь). Изменения языка во времени характеризуются как способ существования языка. Ф.Ф. Фортунатов предполагал наличие диалектного членения, территориального варьирования и в общеиндоевропейском, на реконструкцию которого были направлены усилия А. Шлайхера и его последователей. Он отказывался сводить развитие языка к его дроблению на наречия и призывал считаться и с противоположным процессом сближения и соединения наречий. Им была предпринята разработка теории дивергентно-конвергентной эволюции языков. Он развивал также идею языковых ("общественных") союзов. Ему принадлежит призыв к различению внешних и внутренних факторов развития языка.

Ф.Ф. Фортунатову принадлежат специальные исследования в области древнеиндийского языка. Он изучал тексты ведийских памятников в связи с подготовкой к изданию текста Samaveda, его толкованием и переводом, составлением словаря. Исследователь стремился не вносить исправления в сам текст, используя для этой цели комментарии. Он открыл получивший большой резонанс в мировой лингвистике того времени звуковой закон, касающийся соотношения между древнеиндийскими церебральными и группой l +зубная в других индоевропейских языках. Позднее он выдвинул предположение о существовании в общеиндоевропейскую эпоху (на основании разных рефлексов в отдельных индоевропейских языках) не двух, а трёх плавных. Он сделал ряд открытий, касающихся состава индоевропейского вокализма, лабиального ряда заднеязычных, слабой ступени аблаута, связи долготы и характера слоговой интонации, относительной хронологии первой и второй палатализации в праславянском. Вёл он исследования и в области славяно-балтийской акцентологии. Он открыл закон передвижения ударения от начала к концу слова в определённых фонетических позициях (закон Фортунатова—Соссюра).