Гельфанд известен своими работами по функциональному анализу, алгебре и топологии. Он был одним из создателей теории нормированных колец (банаховых алгебр), которая позже легла в основу теории колец с инволюцией и теории бесконечномерных унитарных представлений групп Ли. Эту теорию, имеющую важное значение для теоретической физики (квантовой механики в частности), Гельфанд разработал вместе с Марком Ароновичем Наймарком.
Помимо собственно математики Гельфанд работал в таких областях как биология и медицина: его исследования были посвящены нейрофизиологии, клеточной миграции и протеомике.