Область интересов Вадима Ротенберга - психофизиология сна здоровых людей и больных психическими и психосоматическими заболеваниями; проблема стресса; патогенез неврозов, шизофрении, депрессии, психосоматических заболеваний; нейропсихоиммунология; психофизиология межполушарных отношений; психофизиология памяти; психофизиология творчества; психология личности. Автор концепции поисковой активности (экспериментальное обоснование которой проведено совместно с проф. В.В. Аршавским). Эта концепция связывает в единую систему представлений устойчивость организма к стрессу и заболеваниям (психическим и психосоматическим), поведение человека и высших животных, функцию быстрого сна и сновидений, роль мозговых катехоламинов, функциональную роль правого и левого полушария в восприятии мира , формировании "образа Я" и механизмах памяти. Это наиболее интегральная из всех современных психофизиологических концепций и она позволяет по-новому и в едином контексте взглянуть на многие актуальные проблемы медицины, психологии и физиологии и устранить целый ряд противоречий и парадоксов. Концепция носит философско-мировоззренческий характер. Основные ее положения были сформулированы между 1971 и 1980 гг., но многие конкретные аспекты были разработаны позже.