Помимо колоссальной конструкторской и организационной загрузки В.Н. Челомей всегда чувствовал себя исследователем. Ещё в 1958 году в составе проектного отдела № 10 ОКБ-52 была создана бригада по проектированию моделей различного назначения. Ввиду увеличения объёма работ с моделями в 1970 году приказом Генерального конструктора бригада моделей была реорганизована в самостоятельный отдел № 24 в составе проектного комплекса, но с личным подчинением Владимиру Николаевичу. Во главе отдела был поставлен И.В. Пронин. В то же время был создан модельный цех № 21–06 под руководством Р.В. Васильева. Сотрудникам отдела и цеха не раз доводилось наблюдать Владимира Николаевича как исследователя колебательных процессов, гидравлических проблем, пограничных явлений. Здесь была его стихия, в постановке эксперимента он был безукоризнен, все они в той или иной степени позволяли ответить на конкретный вопрос, связанный с различными аспектами ракетостроения, то есть носили очевидный прикладной характер.
Герберт Александрович Ефремов, не понаслышке знающий суть труда Генерального конструктора и уровень его ответственности, считает, что научная деятельность, как и преподавательская, была для Владимира Николаевича отдыхом, когда он мог просто подумать, пофантазировать, помечтать.
Академик Е.А. Федосов убеждён, что В.Н. Челомей был образцовым учёным, никогда не прибегавшим к маскирующей пустоту выводов математической формалистике, грешить которой становится тем более модно, чем мельче суть решаемых задач. Не стремился он и к обилию авторских свидетельств, которых мог иметь сотни, ограничиваясь наиболее значимыми. К сожалению, не все эксперименты, запланированные великим учёным и инженером, удалось осуществить при его жизни, но, думается, они ещё найдут своё воплощение.
«Свои основные научные работы Владимир Николаевич посвятил разделу механики, связанному с колебаниями и устойчивостью упругих систем. Свою привязанность и, я бы даже сказал, страсть к теории колебаний он пронёс через всю свою жизнь, — замечает первый заместитель генерального директора НПО машиностроения А.В. Хромушкин. — Уже в начале своей научной деятельности Владимир Николаевич внёс большой вклад в развитие теории динамической устойчивости упругих систем. Достаточно сказать, что само общепринятое сейчас понятие динамической устойчивости упругих систем введено В.Н. Челомеем».
Важный цикл научных работ В.Н. Челомея относится к исследованиям изгибно-крутильных колебаний коленчатых валов. На эту тему в 1951 году он защитил докторскую диссертацию. В 1958 году Владимир Николаевич разработал нелинейную теорию статической и динамической устойчивости гидравлических и пневматических золотниковых сервомеханизмов. Им были впервые получены точные нелинейные дифференциальные уравнения движения сервомеханизмов и изучена их динамическая устойчивость.
Летом 1964 года под председательством начальника ЦАГИ В.М. Мясищева было созвано внеочередное заседание жюри конкурса им. Н.Е. Жуковского. Несмотря на отпускной период и зной летнего дня, собрались все члены жюри в составе: М.В. Келдыш, В.П. Глушко, А.А. Дородницын, С.П. Королёв, А.М. Люлька, Л.И. Седов, П.О. Сухой, С.К. Туманский, А.Н. Туполев, А.С. Яковлев, Г.П. Свищев — и единогласно проголосовали за присуждение В.Н. Челомею за выдающиеся заслуги в области ракетной и авиационной техники премии первой степени и золотой медали им. Н.Е. Жуковского.
В 1974 году к 60-летию со дня рождения В.Н. Челомея вышла из печати классически изданная книга «Избранные проблемы прикладной механики». В составе редколлегии книги известные учёные страны, академики И.И. Артоболевский, Н.Н. Боголюбов, Э.И. Григолюк, В.И. Кузнецов, М.А. Лаврентьев, Л.И. Седов. В сборник представили свои статьи ведущие учёные-механики. Среди авторов 75 статей, вошедших в книгу: академик Л.И. Седов — «О некоторых работах Туллио Леви-Чивита в аналитической механике» (к 100-летию со дня его рождения); Г.Г. Чёрный — «Пограничный слой на движущейся поверхности»; академик Н.Н. Боголюбов — «Об одном методе В.Н. Челомея в теории колебаний», а также статьи отечественных и зарубежных учёных по современным и актуальным вопросам механики твёрдых и деформируемых тел, по проблемам взаимодействия оболочек с жидкостью и движению жидкостей и газов.
