Уже в начале исследовательской работы А.Д. Архангельского наметились основные направления его научной деятельности, характеризующие его как ученого и получившие в последующие годы полное развитие. Андрей Дмитриевич работал по петрографии осадочных пород, в которой он создал сравнительную литологию, в области тектоники, где он не только дал обобщение результатов исследования по региональной тектонике СССР, особенно Русской платформы, но и сформулировал в последнее время основные положения, касающиеся развития земной коры. Андрею Дмитриевичу принадлежит заслуга разработки методики интерпретации: геофизических данных и выяснения связи гравитационных и магнитных аномалий с тектоникой поверхностных частей земной коры. Далее А. Д. Архангельский много работал по стратиграфии верхнемеловых и палеогеновых отложений, по палеогеографии СССР и дал крупные сводки по региональной геологии нашей страны. Кроме того, он уделял много внимания геологической съемке, а в последующее время — составлению сводных геологических карт. Наконец, в начале своей научной работы он опубликовал несколько исследований по стратиграфической палеонтологии и палеофаунистике.