С 1934 года преподавал в Московском университете, доцент, с 1939 — профессор этого же университета. С 1940 года и до последних дней жизни возглавлял созданную им кафедру звёздной астрономии, сначала на механико-математическом факультете, с 1956 года — на физическом. Основатель Московской школы звёздных астрономов. По его предложению была организована Комиссия по звёздной астрономии Астрономического совета АН СССР.
Научные работы относятся к изучению строения Галактики, исследованию структуры и динамики звёздных скоплений и систем, к проблеме учёта поглощения света в межзвёздном пространстве, к изучению переменных звёзд. В 1937—1939 гг. уделял много внимания изучению основных статистических закономерностей в мире звёзд: зависимости масса — светимость — радиус, диаграмме спектр — светимость и т. д. В 1939 г. обнаружил зависимость, позже получившую название «эффект Паренаго», основных кинематических характеристик звёзд главной последовательности от их спектрального класса[2]. В 1940—1941 гг. разработал метод определения межзвёздного поглощения света. В 1945 г. установил существование последовательности субкарликов, расположенной на диаграмме Герцшпрунга—Рессела под главной последовательностью. Обнаружил вращение ассоциацииОриона. В 1939 г. изучил движение Солнца относительно 591 звезды в сфере радиусом 20 пк и определил галактическую орбиту Солнца в виде эллипса с эксцентриситетом 0,30, большой полуосью в 10 000 пк и с расстоянием Солнца от галактического центра, равным 7800 пк. В 1947 г. получил для направления движения Галактики координаты апекса: долготу l = 175°, широту b = +8°, скорость v = 211 км/с. Это первое более или менее надежное определение апекса движения Галактики относительно её соседей. Это движение направлено к созвездию Единорога. В 1948 г. предложил способ оценки полного числа звёзд какой-либо подсистемы, основанный на значениях градиентов логарифмов плотности и плотности исследуемых звёзд в окрестностях Солнца. В 1950—1952 гг. разработал формулу для галактического потенциала вблизи галактической плоскости.
Занимался педагогической деятельностью. «Курс звёздной астрономии» (1946), написанный Паренаго, является одним из основных учебников по звёздной астрономии в мировой литературе. Был членом редакционных коллегий ряда астрономических изданий.
