Był także autorem cenionych prac naukowych: Miniatury Kodeksu Behema (1933), Załuscy: bibliografia odnosząca się do Załuskich w XVII I XVIII wieku (1952), Grobowiec Władysława Jagiełły (1953), Collegium Maius [UJ] (1968), Historia sztuki w zarysie (1973, wyd. 10, 1990); przetłumaczył i opracował Żywoty najsławniejszych malarzy, rzeźbiarzy i architektów G. Vasariego (t. I-IX, 1985–1990); był także autorem utworów o charakterze literackim: Nie od razu Kraków zbudowano (1947) oraz Krystianna (1957).
W okresie międzywojennym Karol Estreicher był także encyklopedystą, współtwórcą Encyklopedii staropolskiej wydanej w latach 1937–1939 wraz z Aleksandrem Brücknerem. Był autorem doboru całości ikonografii do tego dzieła oraz haseł dotyczących sztuki: malarstwo, przemysł artystyczny, rzeźba oraz ubiór.