В. В. Шулейкин вел исследования в области геофизики, в частности, физики моря. Разрабатывал теорию теплового взаимодействия Мирового океана, атмосферы и материков; теории ветровых волн, морских течений, тропических ураганов, теплового баланса моря. Объяснил происхождение окраски морей и озёр, вывел уравнение спектральной кривой и другие уравнения оптики моря. Изобрёл ряд приборов для исследований моря.
Его научно-популярная книга "Очерки по физике моря" переиздавалась четыре раза.