В начале 30-х годов А. Н. Трайнин обращается к совершенно новой и чрезвычайно актуальной сфере – международному уголовному праву. Крупный правовед, наделенный научной интуицией, он хорошо понимает, какой трагедией для человечества может обернуться победа фашизма в Германии, Италии и Японии. В 1935 г. выходит в свет его монография «Уголовная интервенция». Это исследование положило начало разработке понятия международного преступления и ответственности за него. Через два года появился новый труд «Защита мира и уголовный закон».
После нападения гитлеровской Германии на Советский Союз А. Н. Трайнин всю свою творческую энергию отдает борьбе с фашизмом. Он выступает с серией статей об ответственности оккупантов за совершенные на территории СССР преступления. В 1944 г. выходит его новая книга «Уголовная ответственность гитлеровцев». Положения этой работы широко использовались в Московской декларации об уголовной ответственности немецких фашистов и в Уставе Международного Трибунала в Нюрнберге и Токио. Книга была оценена как крупный вклад советской науки в борьбе с фашизмом.
Летом 1945 г. А. Н. Трайнин в составе советской правительственной делегации принимает участие в выработке Соглашения о судебном преследовании и наказании главных военных преступников и Устава Международного Трибунала. Он являлся вице-президентом Международной Ассоциации юристов-демократов.
В 1956 г. выходит фундаментальная монография А. Н. Трайнина «Защита мира и борьба с преступлениями против человечества», ставшая своеобразным итогом двадцатилетних исследований по международному уголовному праву. В работе рассматриваются общее понятие преступлений против человечества, преступлений против правил ведения войны, понятие геноцида. Целый ряд международно-правовых актов ООН, принятых в послевоенный период и принимаемых ныне, получили теоретическое обоснование в трудах А. Н. Трайнина. Новый раздел в УК РФ 1996 г. «Преступления против мира и человечества», без преувеличения, можно назвать законодательным памятником А. Н. Трайнину.
Весом вклад А. Н. Трайнина в разработку теории уголовного права. Он первым в СССР разработал учение о соучастии в монографии, опубликованной в 1941 г. Воззрения автора по данной проблеме по сей день используются в национальной уголовно-правовой доктрине. Он исследовал сложнейшую проблему состава преступления, опубликовав, по существу, три самостоятельные монографии: в 1946 г. – «Учение о составе преступления», в 1952 г. – «Состав преступления по советскому уголовному праву», в 1957 г. – «Общее учение о составе преступления». Значение этих работ объясняется тем, что с составом преступления связаны практически все институты Общей части уголовного права. На основе состава преступления исследуются нормы Особенной части УК. А. Н. Трайнин – автор около 300 работ, основные из которых переведены на иностранные языки.