Основные труды относятся к алгебре и математической логике. Выполнил фундаментальные работы в теории групп, теории колец и линейных алгебр, топологической алгебре (алгебры Мальцева), теории групп и алгебр Ли, теории алгоритмов, а также весьма значительные исследования в новой для советской алгебры области - теории универсальных алгебр. Еще до поступления в аспирантуру написал свою первую работу по математической логике, построив общий метод для доказательства теорем, которые называются в алгебре "локальными теоремами". В 1941 г. впервые и мире применил методы математической логики для получения алгебраических теорем. Это положило начало систематическому применению методов математической логики в алгебре. Один из создателей теории алгебраических систем и теории моделей. Организовал широкие коллективные исследования по теории моделей, конструктивной алгебре и алгебре логики. Известный итог этой совместной с его учениками работы - монография "Алгебраические системы", которая получила мировое признание и переведена на многие языки.
А. И. Мальцеву и его ученикам принадлежат важные утверждения, относящиеся к вопросам разрешимости элементарных теорий. Впервые в нашей стране занялся исследованием теории категорий. Оставил исключительно богатое и разнообразное научное наследие, идеи которого еще многие годы будут питать алгебру и смежные с ней ветви математики. Самые абстрактные исследования А. И. Мальцева, как отметил академик В. М. Глушков не имеющие прямых практических приложений, являются неиссякаемым источником идей и методой, находящих новое выражение в ряде областей математики, возникших в самое последнее время под влиянием запросов электронной вычислительной техники и дискретной математики. Известен как прекрасный педагог и талантливый организатор. В Новосибирске создал логико-алгебраическую школу, руководил всемирно известным семинаром "Алгебра и логика". В 1952 г. основал специализированный журнал "Алгебра и логика" и был его редактором. Основатель Сибирского математического общества и первый его президент, главный редактор "Сибирского математического журнала". Входил в состав СО АН СССР и состав бюро отделения математики АН СССР. Был депутатом Верховного Совета СССР 4 и 5-го созывов, Верховного Совета РСФСР 3-го созыва, Ивановского областного Совета народных депутатов, председателем Ивановского областного комитета защиты мира. Заслуженный деятель науки РСФСР, лауреат Ленинской и Государственной премий, награжден орденом Ленина, двумя орденами "Знак Почета" и медалями. Одна из улиц г. Иваново названа его именем.