В 1961 году защитил докторскую по истории, в 1974-м — вторую докторскую, уже по географии. Работал в Эрмитаже, затем в НИИ географии при ЛГУ, читал лекции, собиравшие аншлаги.

Главный научный вклад Гумилёва — пассионарная теория этногенеза. Согласно ей, этносы проходят в своём развитии закономерные стадии, а ключевым импульсом служат «пассионарные толчки» — вспышки космического или биосферного характера, порождающие людей с избытком энергии, способных вести за собой массы. Теория вызывала и продолжает вызывать споры, но именно она сделала Гумилёва одним из самых читаемых историков XX века.

Литературная сторона его наследия не менее примечательна. Гумилёв переводил персидских классиков, находя ритмические формы, созвучные оригиналу. Его собственные стихи — продолжение эстетики Серебряного века, но с собственной интонацией, сформированным научным взглядом на мир.