Từ định lý nhúng C 1 {\displaystyle C^{1}} của Nash và Kuiper cũng như những kết quả ban đầu của Stephen Smale, ông đã giới thiệu phương pháp tích phân lồi (convex integration) và nguyên lý h (h-principle), một cách tổng quát để giải các phương trình đạo hàm riêng không xác định (underdetermined PDEs) và là cơ sở cho lý thuyết hình học của những phương trình này. Một trong những áp dụng của phương pháp này là định lý Gromov-Lees (được đặt theo tên của ông và Jack Alexander Lees), về các phép nhúng Lagrange (Lagrangian immersions) và một tương ứng 1-1 giữa các thành phần liên thông của các không gian.

Vào những năm 90, Gromov giới thiệu metric Gromov–Hausdorff để đo đạc sự khác nhau giữa hai không gian metric compact. Trong đó, ông chứng minh định lý về tính compact Gromov, chỉ ra rằng tập các đa tạp Riemann với độ cong Ricci ≥ {\displaystyle {\ce {\geq }}} c và đường kính ≤ {\displaystyle \leq } D là compact tương đối trong metric Gromov-Hausdoff. Các điểm giới hạn có thể của các đa tạp như thế là các không gian Alexandrov (Alexandrov spaces) với độ cong ≥ {\displaystyle {\ce {\geq }}} c, một lớp các không gian metric được nghiên cứu chi tiết bởi Burago, Gromov và Perelman vào năm 1992. Ông cũng là người đầu tiên nghiên cuưu không gian của các cấu trúc Riemann có thể trên một đa tạp cho trước.

Gromov đã khai sinh ra lý thuyết nhóm hình học, một ngành nghiên cứu về các nhóm hữu hạn dựa trên tính hình học của đồ thị Cayley (Cayley graphs) và metric từ (word metric) của chúng. Năm 1981, ông chứng minh định lý Gromov về nhóm có độ tăng đa thức: một nhóm hữu hạn sinh có độ tăng đa thức (một tính chất hình học) nếu và chỉ nếu chúng thực sự luỹ linh (virtually nilpotent) (một tính chất đại số). Chứng minh này sử dụng metric Gromov-Hausdoff được đề cập tới ở trên. Cùng với Eliyahu Rips, ông đã đưa ra khái niệm về nhóm hyperbolic.

Gromov khai sinh ra ngành tô pô symplectic bằng cách giới thiệu về các đường cong giả chỉnh hình. Điều này dẫn tới bất biến Gromov-Witten, được sử dụng trong lý thuyết dây.

Ông cũng nghiên cứu trong ngành toán sinh (mathematical biology), về cấu trúc của não bộ và quá trình suy nghĩ, cách mà những ý tưởng khoa học hình thành.