Дмитрий Дмитриевич Иваненко внёс значительный вклад в развитие теоретической физики, в частности в области ядерной физики, теории поля и теории гравитации. 15 Некоторые достижения:

• Совместно с Г. А. Гамовым вывел уравнение Шрёдингера, исходя из модели 5-мерного пространства (1926). 1
• Совместно с Л. Д. Ландау рассматривал связь волновой механики с классической (1927), уравнение Клейна — Гордона, статистику Ферми — Дирака и альтернативное описание фермионов в терминах антисимметричных тензоров (геометрия Иваненко — Ландау — Кэлера) (1927–1928). 1
• Совместно с И. Е. Таммом показал возможность взаимодействия посредством обмена частицами с ненулевой массой покоя (1934). 1
• Совместно с А. А. Соколовым разработал математический аппарат теории ливней космических лучей (1938). 1
• Предложил нелинейное обобщение уравнения Дирака (1938), на основе которого в 1950–1960-е годы параллельно с Вернером Гейзенбергом развивал единую нелинейную теорию поля, учитывающую кварки и субкварки. 1
• Предсказал совместно с И. Я. Померанчуком синхротронное излучение (1944). 1
• Разработал совместно с А. А. Соколовым классическую теорию синхротронного излучения (1948). 1
• Развил теорию гиперядер (1956). 1
• Совместно с Д. Ф. Курдгелаидзе предсказал в 1964-м году деконфайнмент и существование кварковых звёзд. 1
• В 1960–1980-е годы совместно с учениками выполнил целый ряд работ по теории гравитации, в том числе выдвинул гипотезу кварковых звёзд, разрабатывал тетрадную, обобщённую и калибровочную теории гравитации, учитывающие наряду с кривизной также и кручение. 1

Иваненко опубликовал более 300 научных работ и 4 монографии. 1 Под его редакцией вышли 27 сборников статей и книг ведущих зарубежных учёных. 1