Com a autor d'obra jurídica, ha aportat solucions als problemes que han anat sorgint a Espanya des que es va aprovar la Constitució: inicialment es va centrar en l'elaboració d'un sistema jurídic útil al nou Estat de les Autonomies(Las potestades legislativas de las Comunidades Autónomas, 1979, i Derecho Público de las Comunidades Autónomas, 2 volums, 1982 i 1984, Premi Adolfo Posada), després en els nous dubtes que provocava la integració d'Espanya en la Comunitat Europea o les noves tecnologies (La regulación de la red, poder y Derecho en Internet, 2000), les conseqüències de la liberalització econòmica i les eines que posa l'ordenament jurídic a la disposició dels nous reguladors, sempre parant esment especial als serveis sanitaris públics, als quals va dedicar la seva tesi doctoral, al tercer sector o al Dret municipal, però sense deixar d'ocupar-se de les llibertats públiques a Espanya. Però la seva obra més rotunda i significativa és el seu Tratado de Derecho Administrativo y Derecho Público General, una sistematització totalment nova del Dret Públic del nostre temps que té en compte les circumstàncies que han canviat des que es van publicar les grans obres que encara serveixen de referència per a l'estudi del Dret: de la centralització de l'Estat a una forta descentralització; de l'estatalització dels serveis públics i la presència de l'Estat al mercat com a gestor d'empreses, a un sistema liberalitzat en el qual l'Estat ocupa funcions de regulador i només excepcionalment de gestor; d'un Dret gairebé exclusivament estatalitzat, a un sistema jurídic europeïtzat i globalitzat. Per altra banda, en Informe sobre España i Cataluña y las demás Españas es mostra partidari del reconeixement constitucional de la singularitat catalana i regular-ne les relacions amb l'Estat mitjançant un Estatut d'autonomia.[12]
Ha estat guardonat amb el Premi Nacional d'assaig de les Lletres Espanyoles de 2013, per Informe sobre España: repensar el Estado o destruirlo[17][18] i el 1984 va obtenir el Premi Adolfo Posada per Derecho público de las comunidades autónomas[19]
La sanidad pública en España (evolución histórica y situación actual), Instituto de Estudios Administrativos, Madrid, 1975.
Expropiación y Jurisdicción, Instituto de Estudios Administrativos, Madrid, 1.976.
Las elecciones locales (en colaboración con L. Cosculluela Montaner) Civitas, Madrid, 1979.
El ordenamiento jurídico de la Comunidad Europea y la Constitución Española, Ed. Civitas, Madrid, 1980.
Las potestades legislativas de las Comunidades Autónomas, Civitas, Madrid, 1979, 2ª Edición, 1981.
Derecho Público de las Comunidades Autónomas, 2 tomos, Civitas 1982 y 1984, 2ª ed Iustel 2006).
La libertad de ejercicio de la profesión y el problema de las atribuciones de los técnicos titulados, en colaboración con L. Parejo Alfonso y E. Ruiloba Santana, Instituto de Estudios de Administración Local, Madrid, 1.983.
Cinco Estudios sobre el poder y la técnica de legislar, Civitas, Madrid, 1.986.
El Estado, el Derecho Interno y la Comunidad Europea, Civitas, Madrid, 1.986.
Tratado de Derecho Comunitario Europeo. Estudio sistemático desde el Derecho Español. Ed. Civitas, 1.986, 3 vols. (Dir, junto a E. García de Enterría, y J. González Campos).
Libertad de prensa y procesos por difamación, Ariel, 1.988.
Tratado de Derecho Municipal, 2 vols, Ed. Civitas, 1988. 2ª ed., Civitas 2003.
La reserva de jurisdicción, La Ley, 1989.
La Unión Europea y las mutaciones del Estado, Alianza Universidad, Madrid, 1.993.
Público y privado en el mercado europeo de la televisión, Civitas, Madrid, 1993.
La formación y la crisis de los servicios sanitarios públicos, Alianza Editorial, Madrid, 1.995.
La responsabilidad civil concurrente de las Administraciones Públicas (y otros estudios sobre responsabilidad), 2ª edic. Civitas, Madrid, 1.998. 1ª ed, Civitas 1992.
Derecho Europeo del Audiovisual (Actas del Congreso dirigido por S. Muñoz Machado, organizado por la Asociación Europea de Derecho del Audiovisual presidida por él, celebrado en Sevilla en Octubre de 1996), Escuela Libre Editorial, Madrid, 1.997, 2 vols.
Política social de la Unión Europea en materia de minusvalías (Dir., con R. de Lorenzo García), Escuela Libre Editorial, Madrid, 1.997.
Servicio Público y Mercado (4 volúmenes) Civitas, Madrid, 1.998; Volumen I, Los fundamentos; Volumen II, Las telecomunicaciones; Volumen III, La televisión; Volumen IV, El sistema eléctrico.
Las estructuras del bienestar, 4 volúmenes, Director con J.L. García Delgado i L. González Seara), Escuela Libre Editorial, Ed. Cívitas, 1997-2002; Vol I: Derecho, economía y sociedad en España; Vol II: Las estructuras del bienestar en Europa; Vol III: Propuesta de reforma y nuevos horizontes.
Los animales y el Derecho, Civitas, Madrid, 1999.
La regulación de la red. Poder y Derecho en Internet. Taurus, Madrid, 2.000.
La resurrección de las ruinas (El caso del Teatro Romano de Sagunto), Civitas, Madrid, 2002.
Los grandes procesos de la Historia de España, Crítica, Barcelona, 2002.
Tratado de Derecho Administrativo y Derecho Público General
Memorial para la reforma del estado: estudios en homenaje al profesor Santiago Muñoz Machado. Madrid: Centro de Estudios Políticos y Constitucionales, 2016 ISBN 978-84-259-1693-9