Научная деятельность А.П. Карпинского отличалась разносторонностью. Его наиболее выдающиеся труды, которые принесли ему мировую известность, затрагивали области палеонтологии, тектоники и палеогеографии европейской России и Урала.

Первые работы А.П. Карпинского, в том числе его диссертация, были петрографические. Одним из первых в России в 1869 г. он применил микроскоп для изучения горных пород. С петрографией связаны вопросы рудных месторождений. Одним из вопросов, остро его интересовавших до последних дней, было происхождение уральских месторождений платины. А.П. Карпинский развивал собственную теорию, поднимавшую ряд коренных вопросов дифференциации магмы.

В 1880 г. выходит его работа "Замечания об осадочных образованиях Европейской России", где он впервые отмечает двухъярусное строение изученной территории, различая "гранитный базис" и осадочный покров. В более поздних работах: "Очерк физико-географических условий Европейской России в минувшие геологические периоды" (1887) и "Общий характер колебаний земной коры в пределах Европейской России" (1894), был применен разработанный им метод тектонического анализа с помощью палеогеографических построений. А.П. Карпинский показал, что простирание структур, созданных колебательными движениями земной коры в пределах Русской платформы, в раннем палеозое было параллельно Балтийскому щиту, а позднее - системе хребтов Большого Кавказа или Урала. А.П. Карпинский первым применяет в области палеоокеанографии фациальный анализ для выяснения характера морского бассейна, в котором отлагались осадки, образующие современный Донбасс. Им впервые была дана тектоническая карта Урала, главным образом, его восточного склона, и первая тектоническая карта Европейской части нашей страны.

В тесной связи с тектоническими построениями А.П. Карпинского стоят его палеогеографические карты - карты распространения морей и суши в минувшие периоды на площади Русской платформы. Построение таких карт привело А.П. Карпинского к обобщению исключительной важности. Им было отмечено, что смена конфигурации морей подчиняется определённым правилам. Другими словами, им впервые была констатирована закономерность движения земной коры.

Основой, общим фоном работ А.П. Карпинского были его стратиграфические исследования. Особым его вниманием пользовался Урал, где он родился, и где началось его самостоятельное научное творчество. Уралу он отдал лучшие годы своей жизни. К сожалению, далеко не все результаты его работ напечатаны. Им составлена непревзойдённая по точности геологическая карта восточного Урала. Работы А.П. Карпинского впервые наметили решение загадки восточного склона Урала, в значительной степени разрушенного и погребённого под западносибирской низменностью. Ему же русская наука обязана изящными реконструкциями мощных складок Урала по материалам, доставлявшимся ему как крупнейшему геологу другими исследователями со всех концов страны. Он осветил строение многих областей Европейской и Азиатской частей нашей страны и установил многие важнейшие геологические факты. На второй сессии Международного геологического конгресса в Болонье в 1881 г. предложенная Карпинским статья "Опыт систематической унификации графических обозначений в геологии", получила вторую премию и в итоге была утверждена раскраска систем мезозоя (триас - фиолетовый, юра - голубой, мел - зеленый) и кайнозоя (желтые тона).

Также имеют крупнейшее значение его палеонтологические работы. По беспозвоночным ему принадлежит монография по артинским (нижнепермским) аммонеям. Крайне тщательные исследования позволили А.П. Карпинскому установить филогенетические отношения изученных им аммоней, т.е. построить их родословное дерево. Это была, одна из первых работ такого рода в мировой литературе, вносившая новый онтогенетический метод в науку. За эту работу он получил от французской академии наук премию имени Кювье. История артинских аммоней показала, что они развились на месте из каменноугольных, а не пришли к нам на Урал со стороны, т.е. что между каменноугольным и пермским морскими бассейнами перерыва не было, как это полагали геологи на основании изучения тех же аммоней.

Вторая замечательная палеонтологическая монография А.П. Карпинского имеет объектом загадочную артинскую рыбу. От неё сохранился лишь зубной аппарат, который имеет вид спиральной пилы. По мысли А.П. Карпинского этот аппарат должен был выдаваться из пасти в виде особого придатка. А.П. Карпинский занимался и другими загадочными ископаемыми, которые стекались в его руки как крупнейшего палеонтолога со всех сторон. Третья крупная монография А.П. Карпинского, ставшая классической, описывает оогонии ("плодики") девонских харовых водорослей, в изобилии встречающихся в девонских отложениях.

Последние дни А.П. Карпинского