Свои идеи Д.В. Айналов развил в докторской диссертации «Эллинистические основы византийского искусства» (1900 г.), где на материале ранневизантийского искусства (монументальные росписи, миниатюры, пластика) показал, как Константинополь уже с IV–V вв. начал приобретать ведущее положение в художественной культуре, опираясь на блестящий расцвет искусства эллинистического Востока до прихода арабов и соединяя в себе особенности классического античного наследия и влияния восточных традиций. Эта работа послужила толчком для развернувшейся в научной литературе дискуссии «Восток или Рим» (под таким названием выпустил книгу Йозеф Стржиговский (1903 г.), отвергнувший традиционное отношение к Риму как центру всей культуры раннехристианского мира). Третьим значительным трудом Д.В. Айналова по византийскому искусству стала книга «Византийская живопись XIV в.» (1917 г.), посвящённая малоизученному в то время позднему периоду истории Византии. Автор показал, что византийская живопись сохраняла самостоятельность и самобытность до XIV в., однако, говоря о расцвете палеологовского искусства, учёный переоценил влияние на Византию культуры западноевропейских стран, особенно Италии. Д.В. Айналов обладал широким научным кругозором, много путешествовал не только в Константинополь, Грецию и на Афон, но и в западноевропейские страны (итогом стали его труды по средневековому романскому искусству и по искусству Возрождения). Значительное место в творчестве Д.В. Айналова занимают исследования по древнерусскому искусству. Первая часть задуманной им «Истории русского искусства», посвящённая периоду Киевской Руси, не устарела до настоящего времени. Д.В. Айналов пристально изучал древности русских городов; широкая реставрация памятников в годы советской власти давала новый материал для учёного. Эта работа – первый крупный научный труд в данной области. Исследования Д.В. Айналова по археологии, истории и архитектуре памятников Крыма (прежде всего, Херсонеса) явились серьёзным вкладом в изучение древностей этого полуострова. Список его печатных трудов составляет около 220 книг и статей; неопубликованная часть работ и эпистолярного наследия ученого хранится в его архиве в Санкт-Петербурге.