მუშაობდა მეორეულ და უცხო ნაერთთა ბიოქიმიის დარგში. დაადგინა [[სპირტი]]ს დუღილის ძირითადი, მეორეული და გარეშე პროდუქტების გარდაქმნის ბიოქიმიური გზები; საფუძველი ჩაუყარა [[ვაზი]]სა და [[ღვინო|ღვინის]] ფენოლურ ნაერთთა ბიოქიმიას; დაამუშავა არომატული ნაერთების უჯრედშიგა ცვლის თეორიული საფუძვლები; წამოაყენა ჰიპოთეზა უჯრედში ფენოლურ და უცხო ნაერთთა ღრმა ჟანგვითი გარდაქმნებისა და დეტოქსიკაციის შესახებ; გამოავლინა [[ატმოსფერო]]ს, [[ნიადაგი]]სა და [[წყალი|წყლების]] ბიოლოგიური გასუფთავების ახალი გზები.
მან [[ბიოქიმია|ბიოქიმიის]] ერთ-ერთ აქტუალურ პრობლემას — [[ალკოჰოლური დუღილისდუღილი]]ს ბიოქიმიას მრავალი ორიგინალური გამოკვლევა მიუძღვნა. პირველმა შეისწავლა რძემჟავის გენეზისი ალკოჰოლური დუღილის პროცესში. დაადგინა, რომ დუღილის პროდუქტებს შორის გამოვლენილი კორელაციური დამოკიდებულება პირობით ხასიათს ატარებს და მადუღარ არეში არსებული დუღილის ძირითადი და მეორეული პროდუქტები რთულ და მრავალმხრივ გარდაქმნებს განიცდის საფუვრების სხვადასხვა გენერაციების მიერ, გამოავლინა ამ გარდაქმნების ძირითადი გზები. მისი კვლევის ეს შედეგები საყოველთაოდ აღიარებულია და შეტანილია მრავალ ადგილობრივ თუ უცხოურ სახელმძღვანელოში. დუღილის ბიოქიმიაში ჩატარებულმა ამ გამოკვლევებმა თეორიული საფუძვლები შეუქმნეს ამ პროცესზე დამყარებულ ტექნოლოგიებს. დადგენილი ვაზის მთრთიმლავ ნივთიერებათა ქიმიური ბუნება, იდენტიფიცირებულია მრავალი პრინციპული მნიშვნელობის ინდივიდუალური ნაერთი. შრომები, რომლებიც ვაზის[[ვაზი]]ს მთრთიმლავი ნივთიერებების და ანთოციანების ქიმიას მიეძღვნა, შევიდა მსოფლიოს სპეციალურ ლიტერატურაში. სერგი დურმიშიძის ამ შრომებმა დიდი გავლენა მოახდინა ვაზისა[[ვაზი]]სა და [[ღვინო|ღვინის]] ბიოქიმიურ და ტექნოლოგიურ გამოკვლევებზე.
1955 წელს გამოიცა აკადემიკოს სერგი დურმიშიძის მონოგრაფია: „ვაზისა და ღვინის მთრთიმლავი ნივთიერებანი და ანთოციანები“. დღესაც ეს ნაშრომი სამაგიდო წიგნს წარმოადგენს ფენოლურ ნაერთებზე მომუშავე მკვლევართათვის. უცხოელი მეცნიერების მიერ ამ წიგნის ძირითადი შინაარსი გადაითარგნა და გამოქვეყნდა ამერიკის შეერთებულ შტატებში[[აშშ]]-ში, [[საფრანგეთი|საფრანგეთში]], იტალიასა[[იტალია]]სა და პორტუგალიაში[[პორტუგალია]]ში. დაჯილდოებულია [[ლენინის ორდენითორდენი]]თ, 4 [[შრომის წითელი დროშის ორდენითორდენი]]თ და მედლებით. საქართველოს სახელმწიფო პრემიის ლაურეატი და ქალაქ თბილისის[[თბილისი]]ს საპატიო მოქალაქეა. 1990 წელს ბიოქიმიისა და ბიოტექნოლოგიის ინსტიტუტს მიენიჭა სერგი დურმიშიძის სახელი. 5 [[მონოგრაფია|მონოგრაფიის]], 300-ზე მეტი სამეცნიერო ნაშრომისა და 6 გამოგონების ავტორია.
1954-1955 წლებში საქართველოს კპ ცკ-ის წევრი. საქართველოს სსრ 4-9 მოწვევების უმაღლესი საბჭოს დეპუტატი.
