翁史烈院士的研究方向主要包括：
熱力機械研究：翁史烈院士是我國新一代熱力渦輪機的開拓者之一，致力於熱力發動機的研究。他在航空渦輪風扇發動機的多用途改型研製方面做出了貢獻，並開拓了我國新一代熱力發動機，提高了現代化水平。
動力機械工程：翁史烈院士的主要研究內容涉及燃氣輪機性能與仿真和新一代的燃氣蒸汽聯合循環。動力機械工程是以燃氣輪機、汽輪機、內燃機和正在發展中的其它新型動力機械及其系統為對象，研究如何把燃料的化學能和流體動能安全、高效、低污染地轉換成動力的基本規律和過程。
教育和人才培養：翁史烈院士牽頭組建了中國首批熱力渦輪機博士點和重點學科、教育部重點實驗室，並為建設氣動力學實驗室、仿真實驗室、博士後流動站做出非常重要貢獻。他培養了一支高水平的熱力渦輪機學科梯隊，並主持了近10項國家重大科研項目。
翁史烈院士的學術思想和成就被描述為「船舶動力先進設計研究開拓者、攀登先進清潔高效能源高峰探索者、航空發動機和燃氣輪機重大專項推動者、能源動力學科發展方嚮導航者、學科交叉融合創新實踐者」。