Мировую известность получили работы академика в атомной физике, физике элементарных частиц, полевой теории гравитации. Уже в первой своей научной работе совместно с Яковом Борисовичем Зельдовичем Герштейн открыл фундаментальный закон сохранения в слабом векторном взаимодействии, аналогичный закону сохранения электрического заряда. Этот результат имел важнейшее значение для создания Стандартной модели.
Среди других достижений Герштейна, в области космологии и астрофизики, было предложение оригинального механизма коллективного ускорения солнечных космических лучей.
Семен Соломонович был инициатором и участником целого ряда новых научных направлений не только в теоретической, но также и в экспериментальной физике частиц. Он внес важный вклад в разработку программы исследований на Серпуховском ускорителе в Институте физики высоких энергий. По его инициативе и расчетам впервые в мировой практике был получен интенсивный пучок электронов с энергией до 46 ГэВ, недоступной для существовавших в то время электронных ускорителей.
Свою трудовую деятельность после окончания МГУ им. М.В. Ломоносова он начал учителем физики в сельской школе. Четверо учеников той школы впоследствии защитили докторские диссертации, а более 10, окончив филиал МИФИ, стали сотрудниками Физико-энергетического института в Обнинске.
Семен Соломонович долгие годы преподавал физику в ведущих вузах страны: в Ленинградском политехническом институте, в филиале физического факультета МГУ в Дубне, в МФТИ, где был заслуженным профессором. В его биографии есть такой примечательный факт, который говорит о любви и признательности со стороны его учеников: в результате тайного голосования студентов МФТИ его наградили почетным знаком «Звезда физтеха».
В числе бывших учеников Герштейна – крупные учёные, к примеру, академик, экс-президент РАН Владимир Фортов, Валерий Киселев, Юрий Пирогов и другие.
