研究低维拓扑，涉及几何群论，不动点，动力系统和代数拓扑等领域。与人合作有成果如下：发现三维流形中本质浸入曲面不能提升成有限覆叠中嵌入曲面的第一个例子；观察到卫星结上循环手术的障碍，证明了双曲流形中的浸入本质曲面边界数的有限性；在有限群作用、手性、流形嵌入、吸引子与流形拓扑间的制约等方面均有颇具创意的研究；特别是开拓和发展了三维流形间的映射这个研究领域，在探索覆叠度的唯一性、非零度映射的存在性、有限性、标准型及其与三维流形拓扑的相互作用中，有一系列预见和佳作。
1994年获中国青年科学家奖， 1995年获求是杰出青年奖，1998年获陈省身数学奖，2001年获国家自然科学奖二等奖。2002-2006年曾是北京大学长江学者。
王诗宬还是Algebr. Geom. Topology、 Topology Appl.、中国科学、数学年刊等杂志的编委。
2005年当选中国科学院院士。