Mīlenbahs pētījis latviešu valodas sintakses, leksikas un ortogrāfijas jautājumus. Viņš bija pirmais no latviešu valodniekiem, kas pievērsās vispārīgajai valodniecībai – runas un valodas cilmes jautājumam un teorijām par artikulētas runas pirmsākumiem cilvēces vēsturē. Viņš pētīja,kā pareizi izveidot teikumus,kā pareizi izrunāt vārdus.Kārlis Mīlenbahs strādāja kopā ar valodnieku Jāni Endzelīnu.
Mīlenbahs pazīstams kā 4 sējumu latviešu valodas pilnas skaidrojošās vārdnīcas sastādītājs; šo darbu pēc Mīlenbaha nāves pabeidza un izdeva Jānis Endzelīns 1923.-1932.gadā. Mīlenbahs arī vadījis latviešu ortogrāfijas reformu - pāreju no gotu rakstības uz latīņu rakstību tagadējā veidā (1908. gadā). …
