Um 1967 widerlegten er und Andrew Casson die „Hauptvermutung“ (von Steinitz und Heinrich Tietze, 1908), die die (bis auf Unterteilung) eindeutigeTriangulierbarkeit von triangulierbaren topologischen Mannigfaltigkeiten behauptete. Sie fanden eine Obstruktion in höheren (fünf und mehr) Dimensionen. Für bis zu drei Dimensionen ist sie dagegen richtig (gezeigt von Edward M. Brown 1963). Ein erstes achtdimensionales Gegenbeispiel fand zuvor 1961 John Milnor.
1999 begründete er mit Moira Chas die String-Topologie, die auf der Betrachtung von Zykeln im freien Schleifenraum von Mannigfaltigkeiten beruht, für die eine Multiplikation definiert wird.
Auf den Internationalen Mathematikerkongressen (ICM) 1970 in Nizza (Galois symmetry in manifold theory at the primes) und 1974 in Vancouver (Inside and Outside Manifolds) war Sullivan Invited Speaker. 1971 erhielt er den Oswald-Veblen-Preis, 1981 den Prix Élie Cartan in Geometrie, 1994 den König-Faisal-Preis, 2004 die National Medal of Science und 2006 den Leroy P. Steele Prize. Es folgten 2010 der Wolf-Preis, 2014 der Balzan-Preis[3] und 2022 der Abelpreis („für seine bahnbrechenden Beiträge zur Topologie im weitesten Sinn, und speziell zu ihren algebraischen, geometrischen und dynamischen Aspekten (for his groundbreaking contributions to topology in its broadest sense, and in particular its algebraic, geometric and dynamical aspects)“ – wie es in der Begründung des Komitees hieß).[4]
Cycles for the dynamical study of foliated manifolds and complex manifolds. In: Inventiones Mathematicae. Bd. 36, 1976, S. 225–255, online (PDF; 1,63 MB).
The density at infinity of a discrete group of hyperbolic motions. In: Institut des Hautes Études Scientifiques. Publications Mathématiques. Bd. 50 (1979), 171–202, online (PDF; 3,1 MB).
On the ergodic theory at infinity of an arbitrary discrete group of hyperbolic motions. In: Irwin Kra, Bernard Maskit (Hrsg.): Riemann surfaces and related topics. Proceedings of the 1978 Stony Brook Conference (= Annals of Mathematics Studies. Bd. 97). Princeton University Press, Princeton NJ 1981, ISBN 0-691-08264-2, S. 465–496.
Mit Ricardo Mañé, Paulo Sad: On the dynamics of rational maps. In: Annales Scientifiques de l’École Normale Supérieure. Série 4, Bd. 16, Nr. 2, 1983, ISSN0012-9593, S. 193–217. online (PDF; 2,68 MB).
Entropy, Hausdorff measures old and new, and limit sets of geometrically finite Kleinian groups. In: Acta Mathematica. Bd. 153, Nr. 1, 1984, ISSN0001-5962, S. 259–277, online (PDF; 780 kB).
Quasiconformal Homeomorphisms and Dynamics.
I: Solution of the Fatou-Julia Problem on Wandering Domains. In: Annals of Mathematics. Serie 2, Bd. 122, Nr. 2, 1985, ISSN0003-486X, S. 401–418.
II: Structural Stability Implies Hyperbolicity for Kleinian Groups. In: Acta Mathematica. Bd. 155, Nr. 1, 1985, S. 243–260, online (PDF; 859 kB).
III: Mit Curtis McMullen: The Teichmüller Space of a Holomorphic Dynamical System. In: Advances in Mathematics. Bd. 135, Nr. 2, 1998, ISSN0001-8708, S. 351–395, online (PDF; 360 kB).
Geometric topology Localization, periodicity and Galois symmetry. The 1970 MIT notes (= K-Monographs in Mathematics. Bd. 8). Edited and with a preface by Andrew Ranicki. Springer, Dordrecht 2005, ISBN 1-4020-3511-X.
↑Dennis Sullivan: Quasiconformal homeomorphisms and dynamics. I: Solution of the Fatou-Julia problem on wandering domains. In: Annals of Mathematics. Serie 2, Band 122, Nr. 2, S. 401–418, 1985, Preview bei JSTOR.org.
↑Dennis Sullivan. Fondazione Internazionale Premio Balzan, abgerufen am 16. September 2023.