Основная масса его работ посвящена неравновесной термодинамике и статистической механике необратимых процессов. Одним из главных достижений было то, что показано существование неравновесных термодинамических систем, которые при определённых условиях, поглощая вещество и энергию из окружающего пространства, могут совершать качественный скачок к усложнению (диссипативные структуры).
Пригожин внес существенный вклад в феноменологическую теорию необратимых процессов и термодинамику нелинейных необратимых процессов. В 1947 г. ввел понятия производства энтропии и потока энтропии, дал так называемую локальную формулировку второго начала термодинамики и предложил принцип локального равновесия. Доказал, что в стационарном состоянии при фиксированных внешних параметрах скорость производства энтропии в термодинамической системе минимальна (теорема Пригожина) и производство энтропии для необратимых процессов в открытой системе стремится к минимуму (критерий Пригожина). Обосновал термодинамические соотношения для газов в неравновесном состоянии, доказал, что макроскопическое выражение для интенсивности источника (а также соотношения взаимности Онсагера) можно получить из основных уравнений кинетической теории.
В 1977 г. Пригожину была присуждена Нобелевская премия по химии «за работы по термодинамике необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных структур». Он награжден золотой медалью Сванте Аррениуса Шведской королевской академии наук (1969), медалью Баурка Британского химического общества (1972), медалью Котениуса Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина» (1975) и медалью Румфорда Лондонского королевского общества (1976). Ученый – член Бельгийской королевской академии наук, Нью-Йоркской академии наук, Румынской академии наук, Королевского научного общества в Упсале и Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина». Пригожин является иностранным членом Американской академии наук и искусств, Польского и Американского химических обществ и других организаций. Ему присвоены почетные степени университетов Ньюкасл-Апон-Тайна, Пуатье, Чикаго, Бордо, Упсалы, Льежа, Экс-ан-Прованса, Джорджтауна, Кракова и Рио-де-Жанейро.
Работы: Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций, М.,1973. Пригожин, Илья Романович, Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой , М., 1986. И. Пригожин. Философия нестабильности // Вопросы философии. 1991, № 6, с. 46-52 Пригожин И. Николис Г. Познание сложного: Введение (пер. с англ. Пастушенко В. Ф.) Изд. 2-е, стереотип.