Основные научные работы Шкловского относятся к теоретической астрофизике. Его ранние работы были посвящены физике Солнца. Теория высокотемпературной солнечной короны объяснила все накопленные к 40-м годам наблюдательные данные и дала толчок дальнейшим исследованиям. Большой вклад внесен Шкловским в объяснение механизмов генерации радио- и рентгеновского излучения Солнца. Им осуществлено исследование химического состава и состояния ионизации солнечной короны. Показал, что во внутренней короне основным механизмом возбуждения является электронный удар и развил теорию этого процесса. Показал также, что во внешней короне основную роль в возбуждении спектральных линий высокоионизованных атомов железа играет излучение солнечной фотосферы. Шкловский нашёл, что в области длин волн короче 1500 Å спектр Солнца должен состоять из эмиссионных линий. Впервые им была отмечена важная роль солнечного рентгеновского излучения в образовании D-слоя ионосферы Земли.
Известность принесли И. С. Шкловскому исследования по космическому радиоизлучению. Ему принадлежит ряд идей, определивших развитие радиоастрономии на начальном этапе. Иосифом Самуиловичем разработан метод спектрального разделения тепловой и нетепловой составляющих радиоизлучения Галактики, который позволил провести отождествление ярких галактических радиоисточников. В 1949 году указал на возможность наблюдений межзвёздных молекул в радиодиапазоне. В 1952 году рассмотрел непрерывное радиоизлучение Галактики и указал на спектральные различия излучения, приходящего из низких и высоких галактических широт. Иосиф Самуилович впервые исследовал возможность наблюдения радиолиний межзвездных молекул, в частности молекулы гидроксина. Эта работа привела к открытию космических мазеров и связанных с ними процессов образования звезд, к систематическим наблюдениям радиоизлучения сложных молекул межзвездной среды. Шкловский первый указал на звёзды типа красных гигантов с умеренной массой как на возможных предшественников планетарных туманностей и их ядер.
И. С. Шкловский объяснил оптическое свечение Крабовидной туманности в рамках гипотезы о оинхротронном механизме излучения. Он уделял большое внимание исследованиям внегалактических объектов. Одним из первых он провел анализ наблюдений радиогалактик Печь А, Лебедь А, Центавр А и предположил, что оптическое излучение выброса из ядра галактики М 87 имеет синхротронную природу, чему впоследствии были найдены неопровержимые наблюдательные подтверждения. В 1967 году, ещё до открытия пульсаров, проанализировав наблюдения источника излучения Скорпион X-1 (англ.) в оптическом и рентгеновском диапазонах, сделал правильный вывод, что излучение порождается аккрецией на нейтронную звезду. Ряд исследований посвящён полярным сияниям и инфракрасному излучению ночного неба. Им также разработаны вопросы, связанные с природой излучения квазаров, пульсаров, рентгеновских и гамма-источников. Принимал участие в постановке астрономических космических исследований.
Он умер в Москве 3 марта 1985 г.
Монографии и сборники статей: ; Шкловский И. С. Солнечная корона. — М.-Л.: ГИТТЛ, 1951. — 388 с.; Шкловский И. С. Космическое радиоизлучение. — М.: Гостехиздат, 1956. — 492 с.; Шкловский И. С. Физика солнечной короны. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Физматгиз, 1962. — 516 с.; Шкловский И. С. Сверхновые звезды. — М.: «Наука», 1966. — 398 с.; Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. — М.: «Наука», 1975. — 367 с.; 2-е изд. — М.: «Наука», 1977. — 383 с.; 3-е изд., перераб. — М.: «Наука», 1984. — 384 с.; Шкловский И. С. Сверхновые звезды и связанные с ними проблемы. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: «Наука», 1976. — 440 с.; Шкловский И. С. Проблемы современной астрофизики [Сб. статей]. — М.: «Наука», 1982. — 223 с.; И. С. Шкловский и современная астрофизика. Сб. статей. Сост. Н. С. Кардашев. — М.: «Знание», 1986. — 64 с.; Шкловский И. С. Проблемы современной астрофизики [Сб. статей]. 2-е изд., доп. — М.: «Наука», 1988. — 252 с