Ve fyzice a akustice definoval tzv. Mersennovy zákony popisující frekvenci kmitání natažených strun (v práci Traité de l'harmonie universelle z roku 1637). Jako první v historii se rovněž pokusil změřit rychlost zvuku ve vzduchu.
V teologii patří k jeho nejvýznamnějším dílům spis Quaestiones celeberrimae in Genesim z roku 1623, jež je výkladem biblické knihy Genesis, zaměřeným proti výkladům magickým a mystickým. Ve filozofii byl obhájcem René Descarta.
Historici vědy oceňují jeho editorskou činnost – připravil k vydání a přeložil díla Euklidova, Apolloniova i Archimédova, a také jeho korespondenci s matematiky a vědci své doby. V době neexistence vědeckých časopisů byla korespondenční síť základní formou šíření informací ve vědě a Mersenne byl jejím středobodem ve své době.
Questions inouies ou récréation des savants (1634)
Questions théologiques, physiques (1634)
Harmonie universelle (1636–1637)
Nouvelles découvertes de Galilée (1639)
Cogitata physico-mathematica (1644)
Universae geometriae synopsis (1644)
České překlady:
MERSENNE, Marin. Harmonie universelle = Univerzální harmonie. In: GEORGIEVA, Sylvia. Barokní afektová teorie. 1. vyd. Praha: Akademie múzických umění v Praze, 2013. 285 s. Hudební pedagogika; sv. 6. ISBN978-80-7331-255-8. S. 155–185.