Научные работы посвящены неотложным состояниям в акушерстве и гинекологии — акушерским кровотечениям и геморрагическому шоку, сепсису и акушерскому перитониту, сердечно-сосудистым заболеваниям при беременности, гинекологической эндокринологии, предраковым заболеваниям эндометрия.
Им впервые обоснована система научных представлений по профилактике материнской смертности, выделены группы особо высокого риска. На основе изучения “послешоковых” кровотечений им сформулирована теория смертельно опасных акушерских кровотечений и дана их характеристика. Проведена серия работ по диагностике и лечению геморрагического шока, разработаны параметры инфузионной терапии при геморрагических осложнениях. Наряду с акушерскими кровотечениями, изучались тромбозы в акушерской практике, особенно эмболия околоплодными водами.

В 1987 году за серию работ по акушерским кровотечениям и тромбозам в акушерстве В.Н. Серов и соавторы удостоены премии имени В.Ф. Снегирева АМН СССР.

Впервые сформулировал концепцию общих и специфических компонентов интенсивной терапии при неотложных состояниях в акушерстве.
В 2002 году за серию работ по гемаферезу при критических состояниях в акушерстве и гинекологии в составе группы ученых удостоен премии Правительства РФ в области науки и техники.

Исследовал такие формы послеродовых нейроэндокринных заболеваний, как нейроэндокринный синдром, функциональная аменорея-галакторея, “вторичный” поликистоз яичников; выявлены основные моменты патогенеза и предложены эффективные методы лечения. Особое значение имеют клинико-экспериментальные работы по влиянию эндокринных изменений на развитие ряда гинекологических заболеваний. В.Н. провел ряд исследований по влиянию гормональных контрацептивов на репродуктивную функцию и здоровье женщин. Показан патогенез защитного действия гормональной контрацепции в отношении гиперпластических процессов в эндометрии, благоприятного лечебного воздействия на течение метаболического синдрома у больных послеродовыми эндокринными заболеваниями и метаболического синдрома, не связанного с патологическими родами и абортами.

Имеет 18 авторских свидетельств и патентов по новым способам диагностики и терапии в акушерстве и гинекологии. Под руководством и при консультации защищены 126 диссертаций (из них 52 докторских).