В Политехническом институте в 1903–1904 гг. Кистяковский организовал одну из первых в России научно-исследовательских и учебных физико-химических лабораторий. Это стало первым шагом к созданию научной школы учёного, известной такими именами, как К.М. Горбунова, Е.И. Гурович, П.Д. Данков, И.В. Кротов, М.К. Тихонов и др.
В 1924 г. В.А. Кистяковский был избран членом-корреспондентом, а в 1929 г., по рекомендации академиков Н.С. Курнакова, В.Н. Ипатьева, П.П. Лазарева, А.Ф. Иоффе, Д.А. Коновалова, действительным членом АН СССР.
В 1930 г., по предложению Президиума АН СССР, учёный организовал Коллоидо-электрохимическую лабораторию (ЛАКЭ). В 1934 г. она была преобразована в Коллоидо-электрохимический институт (КЭИН), который Кистяковский возглавлял до 1939 г. После создания на базе КЭИНа Института физической химии АН СССР (1939) руководил в нём Отделом коррозии металлов.
Научное творчество В.А. Кистяковского очень разносторонне. Его основные работы посвящены химической кинетике, учению о растворах, химической термодинамике, электрохимии и коррозии металлов.
В области термодинамики жидкостей ему принадлежат вывод известной формулы, связывающей упругость пара в капиллярах с поверхностным натяжением и молекулярным весом жидкости; правило (названное его именем), выражающее зависимость высоты капиллярного поднятия жидкости при температуре кипения от молекулярного веса. Он установил важные соотношения между коэффициентом сжимаемости жидкостей и внутренним давлением, между теплотой плавления и числом атомов в молекуле (1922), между молекулярной теплотой испарения и объёмом пара при температуре кипения (1916), а также между молекулярной теплотой испарения неассоциированной жидкости и её температурой кипения (т.н. формула Кистяковского).
В области электрохимии учёный предложил ряд методов и приборов для изучения электрохимических процессов, установил электрохимическим путём различие между простыми и комплексными ионами.
Развивая теорию электролитической диссоциации Аррениуса, Кистяковский одним из первых выдвинул гипотезу существования в растворах гидратированных ионов. В своих воспоминаниях о работе в лаборатории В. Оствальда он писал: «Вскоре я целиком был увлечён новой теорией Сванте Аррениуса; в своей статье в 1890 г. в “Zeitschrift fur physikalische Chemie”… я упоминаю о взаимодействии ионов с водою и даже даю чертёж, напоминающий современную теорию ионных оболочек. Сейчас меня радует мысль о том, что я стоял на правильном пути, так как сейчас… можно сказать, имеется всеобщее признание не свободных ионов, а именно гидратов ионов, вместе с тем меня печалит мысль, что будучи личным другом Сванте Аррениуса, я не сумел доказать ему основную правильность гидратной теории Менделеева».
Явлениями гидратации ионов Кистяковский объяснил тепловой эффект растворения электролитов. Кроме того, он впервые составил теоретически обоснованную таблицу электродных потенциалов и выполнил обширные исследования в области электрохимии магния, хрома, железа, алюминия и других металлов. Результаты этих исследований были изложены в работе «Электрохимические реакции и электродные потенциалы некоторых металлов».
