Сфера интересов М. Д. Миллионщикова как ученого включала и глубокие исследования теоретического характера, и проблемы, связанные с развитием техники и промышленности. Им внесен значительный вклад в один из сложнейших разделов механики сплошных сред — теорию турбулентности. М. Д. Миллионщиков развил теорию изотропной турбулентности, сформулировал закон затухания турбулентных пульсаций, впервые исследовал роль инерционных частиц в явлении изотропной турбулентности.