Khawaja Nasir al-Din al-Tusi menulis sekitar 150 buku dalam bahasa Arab dan Persia yang menunjukkan kemampuannya yang luas di berbagai bidang disiplin ilmu. Selain memahami karya-karya pemikir sebelumnya dengan sangat baik, beliau mengajukan kritik dan koreksi terhadap pemikiran mereka. Tidak hanya itu, Khawaja Nasir al-Din al-Tusi juga melakukan terobosan penting di berbagai disiplin ilmu.

Pada pembahasan sebelumnya, kita sudah mengupas mengenai terobosan besar yang dilakukan ilmuwan Muslim Iran ini di bidang astronomi, dan konstribusinya bagi kemajuan ilmu pengatahuan dunia Islam, terutama dengan membangun observatorium Maragheh. Di bawah arahan Khawaja Nasir al-Din al-Tusi, Observatorium  Maragheh menjadi pemantik kebangkitan ilmu pengetahuan di dunia Islam, terutama di bidang astronomi, matematika, fisika, filsafat, dan teologi. Ia juga mengundang seluruh ilmuwan dari berbagai wilayah ke Maragheh, dan menjadikan tempat itu sebagai pusat ilmu pengetahuan dunia di zamannya. Karyanya berjudul  "Zij-i Ilkhānī" (Tabel Ilkhan) merupakan karya yang disusun berdasarkan penelitian di observatorium Maragheh, dan menjadi tabel akurat tentang gerakan planet.

Di bidang matematika, karya-karya Nasir al-Din al-Tusi menunjukkan kecemerlangannya sebagai pemikir Muslim terkemuka di zamannya. Ia mengkaji karya para ilmuwan Yunani dan pemikir bangsa lain sebelumnya seperti:  Euclid, Archimedes, Ptolemy, Autolycus, dan Theodosius. Nasir al-Din al-Tusi menjelaskan kembali pemikiran mereka melalui berbagai karyanya, serta tidak lupa memberikan komentar kritis.

Kontribusi Khawaja Nasir al-Din al-Tusi dalam disiplin ilmu matematika paling menonjol di bidang aritmatika, geometri, dan trigonometri. Dia melanjutkan karya Omar al-Khayyam mengenai pembahasan angka. Berkat kerjasama dengan rekan-rekannya di Observatorium Maragheh, al-Tusi mengembangkan matematika komputasi, yang kemudian dikembangkan oleh Jamshid al-Kashi, dan matematikawan lainnya di era Timurid.

Menurut Seyyed Hossein Nasr, kontribusi paling signifikan dari Khawaja Nasir al-Din al-Tusi di bidang trigonometri. Dalam bukunya "Shakl al-Gitā", al-Tusi menjelaskan pandangan para matematikawan sebelumnya, mulai dari Abu'l-Wafa', Mansur bin 'Irak, dan Abu Rayhan al-Biruni. Selain itu, ia untuk pertama kalinya berhasil mengembangkan trigonometri tanpa menggunakan teorema Menelaus maupun astronomi. Terobosan Khawaja Nasir al-Din al-Tusi menempatkan trigonometri sebagai cabang independen matematika murni disebut sebagai yang pertama dalam sejarah.

Karya al-Tusi yang berjudul "Jawāmi' al-Hisāb bil-Takt wa al-Turāb", menjelaskan operasi aritmatika dengan menggabungkan teori aritmetika klasik Yunani  dengan tradisi India. Karya al-Tusi yang diselesaikan penulisannya tahun 1264, atau sekitar sepuluh tahun sebelum meninggalnya berupaya membuat operasi aritmatika bisa diakses oleh masyarakat luas. Hal ini menunjukkan kepedulian Nasir al-Din al-Tusi terhadap pendidikan masyarakat, terutama di bidang matematika. Khawaja Nasir al-Din al-Tusi melangkah melampaui apa yang telah dilakukan para pemikir sebelumnya. Dia menjelaskan bagaimana operasi aritmatika dapat diaplikasikan dalam astronomi melalui entitas sexagesimal seperti tanda derajat, menit, dan detik.

Karya lain Khawaja Nasir al-Din al-Tusi di bidang matematika adalah buku berjudul  "Tahrir Ushul al-Handasa li Uqlidis". Buku yang membahas geometri Euclidian ini selesai penulisannya tahun 1248. Buku prinsip-prinsip geometri Euclidian diterjemahkan dari bahasa Yunani ke dalam bahasa Arab oleh para penerjemah di era dinasti Abbasiah. Khawaja Nasir al-Din al-Tusi menulis buku berjudul "Tahrir Ushul al-Handasa li Uqlidis" untuk menjelaskan pandangan Euclid tentang geometri. Sejarawan AS, George Sarton dalam bukunya "Sejarah Sains" menyatakan, karya Khawaja Nasir al-Din al-Tusi di bidang ini menyebabkan dirinya dikenal oleh para matematikawan sebagai  pendukung geometri Euclidian selama berabad-abad.

Buku tersebut diajarkan sebagai buku teks di dunia Islam, bahkan hingga dinasti Ottoman. Menurut Seyyed Hossein Nasr, karya Nasir al-Din al-Tusi Tahrir dan syarah al-Sayyid al-Sharif al-Jurjani digunakan sejak abad ke-13 sebagai buku induk untuk pelajaran geometri di kalangan mahasiswa dunia Islam hingga dinasti Ottoman.

Terkait pengajaran geometri di era Ottoman, Abbé Toderini menjelaskan, "Geometri termasuk dalam pelajaran yang diajarkan di Turki. Di sekolah ada dosen  yang mengajarkan [geometri] kepada orang-orang muda. Mereka menggunakan terjemahan bahasa Arab dari geometri Euclidian. Ada banyak versi dari penjelasan buku ini. [Tapi] buku Nasir al-Din al-Tusi dianggap sebagai yang terbaik....Salinan lisensi Turki buku ini diberikan oleh Sultan Murad III (1574-1595) di Istanbul tahun 1587. Dia memberikan izin untuk penjualan buku ini tanpa pajak atau kewajiban lainnya di seluruh wilayah [dinasti] Ottoman ..."

Selain dikenal sebagai astronom dan matematikawan, Khawaja Nasir al-Din al-Tusi juga menulis buku di bidang lain, salah satunya mengenai mineral. Karyanya di bidang mineralogi berjudul "Tansūgh Nāmeh"(atau Tanksūkh-nāma) yang ditulis dalam bahasa Persia, berdasarkan referensi dari sumber pemikir Muslim sebelumnya, seperti Jabir bin Hayyan, al-Kindi, Muhammad bin Zakariyya  al-Razi,' Utārid ibn Muhammad, dan Abu Rayhan al-Biruni. Para peneliti menilai karya al-Tusi di bidang mineral ini menempati posisi kedua popularitasnya setelah buku al-Biruni berjudul "al-Jamahir fi Ma'rifat al-Jawahir".

Karya al-Tusi ini terdiri dari empat bab. Di bagian awal, ia membahas sifat senyawa; empat elemen, dan "kualitas kelima" yang disebut mizāj. Pandangan ini banyak dipengaruhi oleh pemikiran Ibnu Sina mengenai karakter mineral. Bab kedua ditujukan untuk membahas batu mulia, disertai kualitas dan sifatnya.

Perhatian khusus diberikan untuk rubi, dan sifat medisnya yang dibahas secara luas. Di bab ketiga, al-Tusi menjelaskan teori kimia pembentukan logam. Sebagaimana ilmuwan Muslim lainnya, al-Tusi menerima teori kosmologi dan mineralogi tentang pembentukan logam, dan pembahasan transmutasi logam dasar menjadi emas. Buku ini menjadi salah satu sumber utama mineralogi Muslim di zamannya selain karya al-Biruni, sekaligus menjadi literatur berharga bagi khazanah kosakata ilmiah Persia di bidang tersebut.

Di luar perannya sebagai ilmuwan, dan penasehat kerajaan Moghul, Khawaja Nasir al-Din al-Tusi memainkan peran besar sebagai ulama yang membimbing masyarakat menuju jalan kebenaran. Al-Tusi menulis berbagai karya di bidang ilmu agama seperti akhlak, teologi, fiqih, tafsir dan lainnya. Bukunya berjudul "Tajrīd al-Iʿtiqād" hingga kini masih menjadi buku teks di hauzah ilmiah dan pusat pendidikan Islam Syiah. Selain itu, ia juga menulis buku, "Awsaf al-ashraf" di bidang tasawuf, buku "Akhlaq-i Nasiri " di bidang akhlak, dan "Asas al-Iqtibas" di bidang logika, serta karya-karya lainnya.