В 1906 году на территории Пулковской обсерватории Борис Борисович организовал первую в России сейсмическую станцию. Практическая работа князя Голицына положила начало систематическому изучению сейсмичности и применению сейсмических исследований к изучению внутреннего строения Земли. Благодаря ему был разрешен ряд важных задач по теоретической сейсмологии: об угле выхода сейсмической радиации, о скорости сейсмических волн на различных глубинах Земли, о микросейсмических движениях земной поверхности и другие.
Одновременно с научной работой он вел большую преподавательскую работу: кроме чтения лекций в Николаевской морской академии, Женском медицинском институте, Борис Борисович Голицын с 1909 года преподавал на Высших женских бестужевских курсах.
В 1911 году князь Голицын был избран президентом Международной сейсмической ассоциации, работой которой руководил до своей кончины. Борис Борисович стал одним из основоположников сейсмологии в России, в 1912 году он закончил «Лекции по сейсмометрии», которые не потеряли актуальность и сегодня.
В 1913 году Б. Б. Голицын был избран директором Главной физической обсерватории. Он являлся членом комиссии по изучению производительных сил России, ученым специалистом в земельной комиссии, членом Морского союза; князь Голицын также составил проект реформы средней школы. Во время Первой мировой войны он возглавил Военно-метеорологическое управление, умело организовавшее обслуживание русских армейских частей в период газовой войны, начатой немцами.
Обобщая научную работу князя Голицына, следует отметить, что он решил ряд важных задач теории и практики сейсмологии, а именно разработал теорию и конструкцию электродинамических сейсмографов и нескольких других приборов для сейсмостанций и ввел их в практику, а также ряд задач теоретической сейсмологии. В частности, он нашел решение задачи об определении очага землетрясения по данным одной сейсмической станции (1902). В области теории критических состояний вещества князю Голицыну принадлежат теоретические исследование флуктуации плотности вблизи критической точки и разработка экспериментальных методов определения критической температуры веществ. Важнейший вклад Голицына в теорию теплового излучения заключается во введении представления о температуре излучения абсолютно черного тела (1893 г.). Диссертация Голицина (1900 г.), содержавшая эти идеи, была отвергнута рядом ученых, однако впоследствии эти идеи получили полное признание. Ему принадлежат основные труды по оптике, рентгеновскому излучению.
