Entre els seus treballs destaquen la descripció de dues tècniques clàssiques de gastrectomia amb anastomosi gastroduodenal (operació de BillrothI) o gastrojejunal (operació de Billroth II), l’estudi del fals meningocele (malaltia de Billroth), una tècnica personal de sutura, i la introducció d’una anestèsia mixta d’alcohol, cloroform i èter. Autor d’un text clàssic, Die allgemeine chirurgische Pathologie und Therapie (1863), és recordat també pels seus treballs com a històleg.