孫詒讓有感於清末政治腐敗國家危難，以“墨子強本節用，勞心苦誌，該綜道藝，應變持危，其學足以裨今之時局。”在清代學者畢沅、汪中、王念孫父子等人整理的基礎上，覃思十年而撰成《墨子間詁》十五卷。
通過孫詒讓的集解，《墨子間詁》成為人們閱讀的善本。至今還沒有一本《墨子》校注能超過並取代《墨子間詁》。特別是書中與近代西學相通的名學、光學、力學等知識的闡發，是與孫詒讓的努力分不開的。以至墨學又成為近代顯學。梁啟超在《中國近三百年學術史》中評述說：墨子領頭的“先秦諸子學之複活，實為思想解放一大關鍵。”
孫詒讓在古文字研究方麵也有成效，他的《契文舉例》是中國第一本考釋甲骨文的研究著作。1899年王懿榮發現甲骨文後，第二年便殉難了，沒有顧得上對甲骨作著錄和研究，1903年劉鶚將其所得甲骨編為《鐵雲藏龜》後說：“不意衰年睹茲奇跡，愛玩不已，輒窮兩月力校讀之，以前後重複者參互采繹，乃略通文字。”於1904年便撰成《契文舉例》二卷。該書分日月、貞卜、卜事、鬼神、卜人、官氏、方國、典禮、文字、雜例十篇。既釋文字又考製度，開了古字考釋與古史考證相結合和先例。孫詒讓考釋的字共有185個，雖然多半是和單個金文的比較中認出來的常用字，但他畢竟是較係統地研究甲骨文字的第一人。
在古文字研究方麵，孫詒讓還著有《名原》二卷，該書綜貫音、形、義，從商周文字展轉變易之軌跡，探明古文字的源流，並開啟了用甲古文考證古文字的先河，被譽為“劃時代的作品”。
孫詒讓的教育思想是主張普及教育。在他擬定的《溫處學務分處暫定學堂管理法》中提出：“國民之智愚賢否，關國家強弱盛衰。初等小學本應隨地廣設，使邑無不學之戶，家無不學之童”。而普及教育又應從官吏開始。他提出“欲求全國無不受教育之民，必先求無不受教育之官吏”。他提議清政府明文規定，十年之外，非京師大學堂畢業者，不得為知府；非各省中學以上畢業者，不得為州縣。十年之內，因京師大學堂和各省中學名額有限，一時不能滿足這一要求，可采取變通辦法，即開設“吏治簡易學堂”，通過短期進修方式，讓官吏接受新式教育。
孫詒讓還重視師範教育，注重師資隊伍建設。他認為“推廣學堂而不先設師範，猶之無耜而耕，安期收獲”。“西國教員多為師範出身，故胸有成竹”。孫詒讓認為“學校教育之良否，由於教員人格之若何，蓋教員一舉一動，一言一語印於兒童腦中，其感化有永不能滅者”。
因此，他對教師的素質提出了具體地要求。首先，教師必須熱愛教育事業。二是教師要有豐富的科技文化知識。第三，教師還要掌握教育學與心理學知識。第四，教師要有科研能力。第五，教師要有健康的身體。
孫詒讓博學多識，又是近代新教育的開創者之一，在理論和實踐上成就卓著，是清末著名的教育家，為教育事業的發展作出了巨大貢獻。