霍裕平院士中国理论物理界的权威之一，主要从事理论物理的研究工作，研究内容涉及凝聚态物理、光学和光信息处理、非平衡态统计理论、高温等离子体物理和受控热核聚变等。他深入研究了高温等离子体的物理过程，促使聚变—裂变混合堆纳入国家高技术发展规划，提出了用光学方法快速处理图象的可能性，他还首次系统地解释了稀土离子对铁磁共振的影响。在当时极其困难和屡受冲击的情况下坚持科学研究工作，在国内外主要刊物上发表近五十篇论文，主要有《稀土离子对铁磁共振的影响》、《用光学方法实现任意线性变换》、《等离子体静态稳定性》等，并出版专著《非平衡态统计理论》（科学出版社），受到国内外重视。二十世纪六十年代初，与实验物理学家孟宪振合作，发展了强耦合共振系统的理论，解决了稀土离子引起铁氧体铁磁共振诸多特异反常的现象。七十年代初，与杨国桢等合作，将泛函分析方法引入光信息学中，讨论了现代光学设计的基本问题：用全息光学系统实现任意光学变换的可能性，并发展了一些可能的具体设计途径。这一系列工作在国内外引起较大的反响。七十年代末，在有关“等离子体的静态稳定性”研究中，提出了“降低受控热核装置设计精度的可行途径”，并用于大型托克马克装置的物理设计中。1977年完成具有自己特色的物理设计，其后国际上也陆续采用了这种观点。九十年代初，成功地领导和组织了世界第四个大型超导托克马克的建设。