В 1902 под руководством Ж. при механическом кабинете Московского университета была сооружена одна из первых в Европе аэродинамических труб. В 1904 под его руководством в посёлке Кучино под Москвой был создан первый в Европе аэродинамический институт. В том же году Ж. организовал воздухоплавательную секцию в обществе любителей естествознания, антропологии и этнографии. В 1910 при непосредственном участии Ж. в МВТУ была открыта аэродинамическая лаборатория. В 1910—12 Ж. прочитал в МВТУ курс лекций «Теоретические основы воздухоплавания», в котором были систематизированы теоретические работы самого Ж., его ученика С. А. Чаплыгина, а также экспериментальные исследования аэродинамических лабораторий Московского университета, МВТУ и зарубежных лабораторий. С 1913 Ж. преподавал на курсах офицеров-лётчиков при МВТУ, там же было создано авиационное расчётно-испытательное бюро, в котором под руководством Ж. разрабатывались методы аэродинамического и прочностного расчёта самолётных конструкций. Во время 1-й мировой войны 1914—18 Ж. разрабатывал теорию бомбометания, занимался вопросами баллистики артиллерийских снарядов, читал курс по баллистике, воздухоплаванию, специальным вопросам гидромеханики и работал над различными проблемами теоретической механики.
После Октябрьской революции Ж. и руководимый им коллектив учёных сразу включились в дело создания сов. авиации. В декабре 1918 Советское правительством по предложению Ж. был учрежден Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), руководителем которого он был назначен. Основанные Ж. теоретические курсы для военных лётчиков были реорганизованы в Московский авиационных техникум, на базе которого в 1920 был создан институт инженеров Красного воздушного флота (с 1922 — Военно-воздушная инженерная академия им. Н. Е. Жуковского).
Ж. создал единую научную дисциплину — экспериментальную и теоретическую аэродинамику, развитие которой неразрывно связано с прогрессом самолётостроения. Первые исследования Ж. по теории полёта относятся к 1890. Работа «О парении птиц» (1891), в которой исследуется механизм парения с набором высоты, впервые рассматриваются возможные эволюции при парении, в том числе «мёртвая петля» (петля Нестерова), и работа «О наивыгоднейшем угле наклона аэропланов» (1897) послужили основанием для создания аэродинамического расчёта самолёта. В статьях «К теории летания» (1890), «О крылатых пропеллерах» (1898), «О полезном грузе, поднимаемом геликоптером» (1904) рассматриваются вопросы тяги винта. В работах «О падении в воздухе лёгких продолговатых тел, вращающихся около своей продольной оси» (1906) и «О присоединённых вихрях» (1907) Ж. изложил открытый им в 1904 принцип образования подъёмной силы крыла аэроплана и сформулировал теорему, позволяющую определять её величину. Теорема Ж., устанавливающая связь подъёмной силы крыла с циркуляцией, является основой аэродинамики. В цикле работ Ж. 1910—12 «О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов» (1910), «Геометрические исследования о течении Кутта» (1911—12) и др. и в ряде работ С. А. Чаплыгина предложена гипотеза о сходе струй потока с задней кромки, давшая способ определения циркуляции и утвердившая фундаментальное значение теоремы Ж. для авиации. В этих работах развит математический аппарат для решения задач обтекания крыла, дан метод построения теоретических «профилей Жуковского». В 1912—18 Ж. опубликовал 4 статьи под общим названием «Вихревая теория гребного винта», в которых, опираясь на разработанную им теорию крыла, установил законы распределения скоростей у лопасти винта, послужившие теоретической основой для проектирования воздушных винтов.
