Białynicką-Birula podał teoretyczny opis wiązek relatywistycznych elektronów obdarzonych momentem pędu.
Wprowadził do teorii pola i elektrodynamiki modele jednowymiarowe umożliwiające później szybki postęp w teorii atomów w silnych polach przy pomocy superkomputerów.
Publikacje Jego najczęściej cytowane publikacje to (liczba cytowań w lutym 2022): – 734 cytowań – 445 cytowań – 337 cytowań – 205 cytowań
Jest autorem kilku podręczników akademickich, z których część przetłumaczono na angielski i wydano za granicą:
1969: Elektrodynamika kwantowa, wraz z Z. Białynicką-Birulą, Państwowe Wydawnictwo Naukowe; 1974: wyd. II poprawione, PWN; 1974: Quantum Electrodynamics, Pergamon, ; 1971: Wstęp do teorii pól kwantowych, PWN; 1991: Teoria kwantów. Mechanika falowa, wraz M. Cieplakiem i J. Kamińskim, PWN, ; 2001: wyd. II poprawione i rozszerzone, PWN, ; 1992: Theory of quanta, Oxford University Press, ; 2002: Modelowanie rzeczywistości, wraz z Iwoną Białynicką-Birulą, Prószyński i S-ka, ; 2004: Modeling Reality, Oxford University Press, .
Jest też współautorem – wraz z żoną Zofią – hasła Prawa fizyki w Encyklopedii PWN.