Surnommé "le prince des amateurs", on lui doit les contributions suivantes :
- avec Descartes avoir appliqué l'algèbre à la géométrie.
- la méthode, dite de maximis et minimis, qui le fait regarder comme le premier inventeur du calcul différentiel dont il est un précurseur (il est le premier à utiliser la formule du nombre dérivé).
- en même temps que Blaise Pascal il pose les bases du calcul des probabilités.
Cependant sa contribution majeure concerne la théorie des nombres et les équations diophantiennes. Auteur de plusieurs théorèmes ou conjectures dans ce domaine, il est au coeur de la théorie moderne des nombres.
Il est très connu pour deux théorèmes:
- le petit théorème de Fermat;
- le dernier théorème de Fermat; ce dernier n'était qu'une conjecture et l'est resté durant près de trois siècles de recherches fiévreuses.