Som forskare har Väyrynen främst ägnat sig åt de internationella relationernas teori och historia, internationell ekonomi samt freds- och konfliktforskning. Bland hans arbeten märks verket Conflicts in Finnish-Soviet Relations (1972), som behandlar kriserna i de finländsk- sovjetiska förhållandena efter andra världskriget, avhandlingen Militarization, Conflict Behavior and Interaction (1973), Pienet valtiot kansainvälisissä suhteissa (1988), Global Transformation (1997), Globalisaatio: uhka vai mahdollisuus (1998) och Globalisaatiokritiikki ja kansalaisliikkeet (2001). Hans slutledning i det populärt hållna arbetet Ydinaseet ja suurvaltapolitiikka (1983) att vänskaps- och biståndspakten samt stipulationerna i Parisfreden inte skulle kunna avhålla Sovjetunionen från att i ett krisläge stationera kärnvapen i Finland väckte den högsta statsledningens fördömande.