В науке широко используется составленный С.М. Каштановым «Хронологический перечень иммунитетных грамот XVI в.», где собраны сведения о подлинниках, списках, публикациях и упоминаниях жалованных и указных грамот 1504–1584 гг. С.М. Каштанов обобщил опыт российской и западной археографии в области издания актов, творчески пересмотрел традиции публикации актовых материалов, внёс предложения по всем основным вопросам передачи текста, составления заголовков и других компонентов научно-справочного аппарата издания. Ему принадлежат новаторские труды в области исторической географии средневековой России. С.М. Каштанов разработал методику локализации объектов, упоминаемых в актах XV–XVI вв., которая основана на сопоставлении данных писцовых книг, списков населённых мест XIX в. и картографических источников XVIII–XX вв.; изучал историческую географию Дмитровского, Угличского, Ростовского, Владимирского, Муромского, Казанского, Свияжского и других уездов Русского государства. Занимаясь исследованиями в сфере социальной терминологии, С.М. Каштанов проследил распространение терминов «сироты» и «хрестьяне» и пришёл к выводу, что последний термин стал употребляться в социальном смысле не раньше конца XIV в. В области источниковедения С.М. Каштанов показал себя мастером «каузально-хронологического» метода (термин А.А. Зимина), требующего мобилизации всего фактического материала, который может выявить происхождение источника. Существенным исследователи считают его вклад в теорию источниковедения: С.М. Каштанов создал оригинальную схему классификации исторических источников. Немалое внимание уделил С.М. Каштанов разработке теории подлинности и достоверности исторических источников, дал исчерпывающие определения этих понятий, показал разницу между ними. Несколько его работ посвящено истории фальсификации источников в эпоху Средневековья на Руси и на Западе, средневековым методам борьбы с фальсификациями и наказанию фальсификаторов. С.М. Каштанов одним из первых поднял вопрос о сравнительно-историческом подходе в источниковедении. Сравнительный анализ западных и русских актов показал типологическую близость Русского государства XIV–XVI вв. к более ранним западным государственным образованиям. С.М. Каштанов освещал теоретические основы дипломатики, её зарождение на Западе и историю развития в России, выявил основные тенденции развития источниковедения и вспомогательных исторических дисциплин в период с середины XIX в. до 1917 г. Наряду с изучением российской историографии анализировал характер освещения истории России феодального периода в зарубежной историографии XX в. Исследователи отмечают, что для историографических работ С.М. Каштанова характерно стремление к уточнению периодизации развития исторической мысли, внимание к обусловленности тех или иных концепций общими тенденциями развития научной и общественной мысли в определённый период. Многие его работы переведены на европейские языки.