Автор багатьох праць (здебільшого засекречених). З 1950-х років брав активну участь у різних проектах ракетобудування в СРСР, був одним із головних учених-консультантів у галузі ракетних двигунів для ракет та літаючих апаратів, переважно військового призначення. Під його керівництвом створені крилаті ракети сімейства П-5, П-35, П-120 «Малахит», П-500 «Базальт» для кораблів, підводних човнів та берегових ракетних комплексів. В універсальному ракетному комплексі П-700 «Гранит» втілився досвід роботи над створенням електронних систем штучного інтелекту.
Під керівництвом Челомея розроблений цілий ряд проектів уніфікованих ракет УР-100, УР-200, УР-500, УР-700, від легкого до надважкого класів, прийнятих на озброєння, а УР-100 стала масовою в СРСР.
Конструктор супутників «Польот», «Космос», орбітальних станцій «Салют-3» і «Салют-5».
У його конструкторському бюро розроблено й виготовлено ракету-носій «Протон», що відправив у Всесвіт апарати серії «Зонд», «Луна», «Венера», «Марс», «Вега», а також орбітальні станції «Мир», «Салют», орбітальні комплекси «Алмаз» штучні супутники землі серій «Політ», «Космос». Саме Челомею належить ідея транспортного орбітального корабля багаторазового використання.
Опублікував низку вагомих оригінальних робіт із багатьох проблем прикладної математики, стійкості пружних систем, теорії коливань складних динамічних систем з нелінійними і періодично змінюваними параметрами, теорії нелінійних пневматичних і гідравлічних сервомеханізмів, теорії двигунів та інших машин. Ці роботи залишили глибокий слід у застосуванні теоретичної механіки в інженерній справі.
Серед цих досліджень особливе значення має узагальнення класичної задачі Ейлера про стійкість і доказ можливості підвищення стійкості шляхом вібрації.
