司馬光的主要成就反映在學術上。其中最大的貢獻，莫過於主持編寫《資治通鑒》。宋神宗熙寧年間，司馬光強烈反對王安石變法，上疏請求外任。熙寧四年（1071年），他判西京禦史台，自此居洛陽十五年，不問政事。這段悠遊的歲月，司馬光主持編撰了294卷近400萬字的編年體史書《資治通鑒》。司馬光的獨樂園，既是他的寓所，也是《資治通鑒》書局所在地。這裏環境幽美，格調簡素，反映了園主的情趣和追求。其書局在汴京時已奉詔成立，除了司馬光之外，當時的著名學者劉恕、劉攽和範祖禹都參與了書局的工作。其中，司馬光任主編，劉恕、劉攽、範祖禹為協修，司馬光的兒子司馬康擔任檢閱文字的工作。司馬光來洛陽後，便把《資治通鑒》書局由汴梁遷到洛陽。在獨樂園中常住的不僅有書局的工作人員，當時洛陽的名賢如二程、邵雍、文彥博等也常來此聚會，堪稱是一個學術中心。
他在《進資治通鑒表》中說：“臣今筋骨臒瘁，目視昏近，齒牙無幾，神識衰耗，旋踵而忘。臣之精力，盡於此書。”司馬光為此書付出畢生精力，成書不到2年，他便積勞而逝。《資治通鑒》從發凡起例至刪削定稿，司馬光都親自動筆，不假他人之手。
《資治通鑒》是我國最大的一部編年史，全書共二百九十四卷，通貫古今，上起戰國初期韓、趙、魏三家分晉（公元前403年），下迄五代（後梁、後唐、後晉、後漢、後周）末年趙匡胤（宋太祖）滅後周以前（公元959年），凡一千三百六十二年。作者把這一千三百六十二年的史實，依時代先後，以年月為經，以史實為緯，順序記寫；對於重大的曆史事件的前因後果，與各方麵的關聯都交代得清清楚楚，使讀者對史實的發展能夠一目了然。宋元之際史學家胡三省說：“為人君而不知《通鑒》，則欲治而不知自治之源，惡亂而不知防亂之術。為人臣而不知《通鑒》，則上無以事君，下無以治民。……乃如用兵行師，創法立製，而不知跡古人之所以得，鑒古人之所以失，則求勝而敗，圖利而害，此必然者也。”（《新注資治通鑒序》）王應麟說：“自有書契以來，未有如《通鑒》者。”清代大史學家王鳴盛說：“此天地間必不可無之書，亦學者不可不讀之書”（《十七史商榷》卷1）。近代著名學者梁啟超評價《通鑒》時說：“司馬溫公《通鑒》，亦天地一大文也。其結構之宏偉，其取材之豐贍，使後世有欲著通史者，勢不能不據以為藍本，而至今卒未有能愈之者焉。溫公亦偉人哉！”
司馬光著述頗多。除了《資治通鑒》，還有《通鑒舉要曆》八十卷、《稽古錄》二十卷、《本朝百官公卿表》六卷。此外，他在文學、經學、哲學乃至醫學方麵都進行過鑽研和著述，主要代表作有《翰林詩草》、《注古文學經》、《易說》、《注太玄經》、《注揚子》、《書儀》、《遊山行記》、《續詩治》、《醫問》、《涑水紀聞》、《類篇》、《司馬文正公集》等。在曆史上，司馬光曾被奉為儒家三聖之一（其餘兩人是孔子和孟子）。《訓儉示康》收入高中語文課本。