Jest autorem twierdzenia, zwanego Lematem Kuratowskiego-Zorna, udowodnionego po raz pierwszy przez Kuratowskiego w 1922 („Fundamenta Mathematicae”, t. 3), które ma niebagatelne zastosowanie w dowodach wielu podstawowych twierdzeń. Zorn podał jego zastosowanie w 1935 („Bulletin of the American Mathematical Society”, 41). Wprowadzone przez Kuratowskiego pojęcia w teorii mnogości i topologii na stałe weszły do monografii tych przedmiotów. W wielu przypadkach ustalił ich terminologię i symbolikę.
thumb|Grób Kazimierza Kuratowskiego i jego córki Zofii na Cmentarzu Wojskowym na Powązkach w Warszawie, 23 lipca 2008
Prace powojenne dotyczyły głównie trzech nurtów badań: rozwoju homotopijnej teorii funkcji ciągłych, konstrukcji teorii przestrzeni lokalnie spójnych w wymiarach wyższych, jednolitego ujęcia teorii rozcinania przestrzeni euklidesowych przez dowolne ich podzbiory, opartej na własnościach przekształceń ciągłych tych zbiorów.