L'œuvre de Milton Santos est considérable puisqu'elle compte plus de quarante livres et deux cents articles. Elle peut se partager de manière temporelle en trois parties : ses premières recherches, ses écrits sur le tiers monde, et enfin les ouvrages qu'il a écrits après son retour au Brésil qui représentent sans doute la partie la plus considérable de sa production scientifique.
Ses premières publications se focalisèrent dans un premier temps sur des réalités locales et concernèrent l'État de la Bahia en général. Il se contentait alors de décrire les paysages et de donner des explications afin de les comprendre. Il commença réellement ses recherches une fois qu'il fut nommé professeur à Ilheus. Il débuta ses publications officielles avec A Zona do Cacau (1951), un livre sur les territoires où était cultivé le Cacao dans la région du sud de la Bahia. Il profita indirectement des efforts qui étaient réalisés au niveau politique à l'époque afin d'étendre les connaissances sur le gigantesque territoire brésilien.
Il se sentait parallèlement avoir des devoirs envers sa société bahianaise et débattait de la théorisation de tout ce qu'il lisait à son sujet. Au cours d'un travail sur la Bahia, en essayant d'appliquer un modèle proposé par Michel Rochefort, il comprit que certains modèles ne fonctionnaient pas partout et que des différences profondes existaient entre les pays du Nord et du Sud en termes de fonctionnalité de l'espace. L'école française de géographie était très influente au Brésil à l'époque et ce depuis la fin du XIXème siècle. C'est ainsi qu'il fut amené à rencontrer de nombreux géographes français, dont son futur maître de thèse Jean Tricard. .
La recherche n'était qu'une des nombreuses activités qu'il exerçait à cette époque puisqu'en plus d'être professeur, il était également journaliste et consultant politique. Cette multiplication des expériences et des rencontres lui permit de développer son sens de l'observation et sa capacité à théoriser. Il resta toutefois une personne singulière qui se distinguait par son autonomie de penser et d'agir. Son engagement politique lui valut malheureusement un séjours en prison et un exil forcé.
Lors cet exil, Milton Santos écrivit de nombreux livres et articles qui représentèrent un apport souvent novateur pour les sociétés du Nord. Il réalisa tout d'abord sa thèse de doctorat sur le centre-ville de Salvador. Il poursuivit en se penchant sur les grandes oppositions spatiales sévissant dans le monde et approfondit les notions de domination des pays développés sur le Tiers Monde, ainsi que celles d' « espace partagé » et de « secteur informel » de l'économie urbaine. En 1967, il publia Croissance démographique et consommation alimentaire dans les pays sous-développés et en 1969 Aspect de la géographie et de l'économie urbaine des pays sous-développés. Il considérait, au grand dam d'Olivier Dolffus avec qui il eut une conversation agitée lors d'un colloque à Strasbourg, que le Brésil et le Tiers Monde sont dynamiques contrairement à l'Europe. Face à l'incompréhension de son interlocuteur, il ressentit la nécessité d'expliquer aux personnes du Nord les particularités et le fonctionnement des sociétés du Sud : il conclut qu'il s'agissait alors de repenser les modèles du Tiers-monde.
Il développa deux grandes idées pionnières concernant l'analyse des problèmes urbains : il lança les idées novatrices de « double circuit » économique, le « second » circuit étant le « secteur informel » qu'il traita pour la première fois à partir d'une étude sur diverses villes du Maghreb. Par la suite, de très nombreux chercheurs analysèrent à leur tour ce secteur, mais Milton Santos en fut indéniablement l'un des précurseurs théoriques. Il se pencha également sur la notion de métropole et insista sur les différences existante entre les très grandes villes des pays du Nord devenues les centres mondiaux des directions des entreprises, les grandes métropoles mondiales et les très grandes villes des pays du Tiers Monde dont la trop nombreuse population est essentiellement due à des déséquilibres démographiques et aux soldes migratoires. Il fut ainsi amené à se pencher plus profondément sur les situations intermédiaires des pays qu'on appelle aujourd'hui émergents. Il récapitula toutes ces idées dans ses deux ouvrages, Les villes du tiers-mondes (1971) et L'espace partagé (1975), dont il entreprit l'écriture à Toulouse et conclut à Toronto. Ils furent rapidement intégrés dans les cours de la Sorbonne dans le cadre des questions soulevées par le sous-développement. Ces ouvrages restent aujourd'hui encore des classiques et ont permis à Milton Santos de s'ériger comme un des géographes les plus novateurs en termes d'analyse des différents phénomènes du sous-développement.
Il publia également durant cette période le métier du géographe (1971), dont le titre est inspiré de celui de Marc Bloch (« Le métier de l'historien »), qui lui permit d'ouvrir des chemins qu'il parcourra par la suite. Il y contesta les visions françaises qui s'exprimaient notamment au travers des travaux de Vidal de la Blache sur le déterminisme.
La dernière partie de sa carrière est probablement à la fois la plus féconde en nombre de publications et également le moment où il qu'il eut le plus d'influence sur une société brésilienne qui le reconnaissait enfin. Il apporta à la géographie trois grandes contributions conceptuelles : la formation « socio-spaciale », l'espace comme une expression de « systèmes d'objets et d'actions », et l'idée d'« espace utilisé ».
Il rangea définitivement son œuvre dans le champ des sciences sociales en s'intéressant à la théorie pure et parla du savoir comme d'une position située au-dessus du chercheur et du scientifique. Il pensait que la géographie devait impérativement se théoriser et établir des concepts devant une multitude de situations et de fils conducteurs parce que selon lui, la conscience de la réalité est en partie forgée par la théorie. Il rappela que le premier devoir de la géographie était de penser l'espace. Il affirma que cet espace était fait de « fixes » et de « flux », et qu'il existait une relation entre la société et la nature qui produisent ce qu'il désigna de « formation socio-spatiale » remplaçant en quelque sorte la notion de « formation sociale » spécifique au Marxisme. L'espace était de ses yeux le résultat d'une relation indissociable entre « système » et « objet » qui marient deux notions, « l'action » et « le matérialisme ». Il jaugeait à ce moment-là l'espace non pas comme un élément matériel mais comme un instant, une action construisant un « espace vécu ». Il repensait l'espace comme un territoire utilisé par les hommes. Il entra donc dans une phase de préoccupation théorique et épistémologique de la discipline et exposa ces notions dans Pour une géographie nouvelle (1978) et Pensando o espaço do homen (1982) notamment. L'interdépendance entre les choses et les hommes conduisait selon lui à la conscience, et qu'au final nous étions et nous représentions un monde à nous seuls. Il insista également sur l'effort que les géographes doivent réaliser d'un point de vue théorique et méthodique afin de justifier au mieux leurs propos et ainsi d'être capable de produire un discours utile en terme scientifique. Il écrit en 1996 un nouvel ouvrage sur le sujet, la nature de l'espace (1997).
Il traita enfin, comme beaucoup d'autres auteurs par la suite, de la mondialisation, qui l'accusait de redéfinir avec autorité l'organisation des territoires et de leurs processus locaux. Elle était selon lui uniquement une conséquence des progrès techniques et scientifiques. Il prenait régulièrement une position citoyenne pour aborder le sujet et dénonçait les risques de la mondialisation actuelle qu'il jugeait, quitte a oublier les responsabilités de chaque lieu sur son propre développement, comme la « dernière étape de l'impérialisme des grands pôles et particulièrement des États-Unis, où les acteurs les plus puissants se réservent les meilleurs morceaux du territoire global et laissent le reste pour les autres » (in Santos Para uma outra globalização, 2000). Il mit en évidence les rapports de force existants entre le « Monde » (contrôlé par les pays du Nord) et les « Lieux » (ceux du Sud) qui essayent de lui résister.