Klainerman befasst sich mit partiellen Differentialgleichungen und mathematischer Physik, wo er unter anderem über die Mathematik Schwarzer Löcher und anderen mathematischen Aspekten in der Allgemeinen Relativitätstheorie arbeitete. Mit Demetrios Christodoulou bewies er 1990 die globale Stabilität des Minkowskiraumes. Mit Igor Rodnianski und Jérémie Szeftel bewies er 2015 die -Krümmungsvermutung für das Anfangswertproblem der Einstein-Vakuumgleichungen, die er selbst fünfzehn Jahre vorher aufgestellt hatte.[2] 2022 zeigten Klainerman, Elena Giorgi und Jérémie Szeftel die Stabilität (gegen kleine Störungen) schwach rotierender schwarzer Löcher (Kerr-Lösung).[3][4][5] Der Gesamtumfang der Arbeiten, die den Beweis darstellen, beträgt über 2000 Seiten und wurde als wesentlicher Durchbruch gewürdigt.
Im Jahr 1999 erhielt er mit Christodolou den Bôcher Memorial Prize. Er erhielt den Preis für seine Arbeiten über nichtlineare hyperbolische Differentialgleichungen, speziell seine oben erwähnte Arbeit mit Christodolou und seine grundlegenden Arbeiten mit M. Machedon[6] über Wohlgestelltheit (des Cauchy-Problems) und globale Stabilitätsfragen für nichtlineare Wellengleichungen (wie Yang-Mills-Gleichungen, Wave-Maps, Maxwell-Klein-Gordon-Gleichung) und die dafür zentrale von ihnen eingeführte Nullformen-Bedingung. Sie gingen dabei von Raum-Zeit-Abschätzungen vom Strichartz-Typ aus entwickelten diese weiter unter Ausnutzung der Nullformen-Struktur der betrachteten nichtlinearen Wellengleichungen.
↑Klainerman, Machedon Space-time estimates for null forms and the local existence theorem, Comm. Pure Applied Math., Band 46, 1993, S. 1221–1268, Smoothing estimates for null forms and applications, Duke Math. Journal, Band 81, 1995, S. 99–133