Praca naukowa W pracy naukowej zajmował się psychologią praktyczną. Wprowadził nowe metody eksperymentalne do psychologii, określił główne problemy z zakresu psychologicznych podstaw wychowania i nauczania. Prowadził badania z zakresu racjonalnej opieki nad dziećmi, analizował problemy psychologii wieku dojrzewania (porównał między innymi badania polskie i niemieckie). Po 1945 roku analizował wpływ wojny na psychikę dzieci, młodzieży i dorosłych. Przeprowadził badania empiryczne (ankietowe) oraz obserwacje psychologiczne przeżyć religijnych młodzieży gimnazjalnej. Był pionierem badań psychologicznych w sporcie i wychowaniu fizycznym w Polsce. Zajmował się także psychologią twórczości literackiej – analizował pod tym kątem utwory Szewczenki, Słowackiego, Wyspiańskiego i Żeromskiego.
Materiały archiwalne Stefana Baleya znajdują się w PAN Archiwum w Warszawie pod sygnaturą III-74Spis inwentarzy, Polska Akademia Nauk Archiwum w Warszawie, [dostęp 2024-02-23]..