Цикл «Доктор Павлыш» – традиционная советская фантастика. Прототипом главного героя стал Владислав Павлыш, врач судна «Сегежа», на котором Кир Булычёв совершил путешествие по Северному Ледовитому океану. В цикл входят девять произведений. Они, связанные лишь общим героем, но не сюжетом, повествуют о космических приключениях. Самое известное из них – роман «Поселок», о том, как после катастрофы люди вынуждены выживать на малопригодной для обитания планете.
Другой герой, агент Космофлота Андрей Брюс, появляется в двух произведениях. В «Агенте КФ» с ним происходят приключения на планете Пэ-У (в ней узнается Бирма, страна, которую Кир Булычёв знал очень хорошо), а в «Подземелье ведьм» Брюс вместе со своими товарищами сталкивается с ускоренной эволюцией, запущенной неизвестной высшей цивилизацией.
Еще один цикл посвящен агенту ИнтерГалактической полиции Коре Орват. Действие в произведениях происходит примерно в то же время, что и «Приключения Алисы». Сам Булычёв называл эту героиню «повзрослевшим вариантом Алисы», но характеры героинь заметно отличаются, тем более что в одном из произведений они пересекаются.
В цикле «Театр Теней», состоящем из нескольких повестей и рассказов, действие происходит в параллельном мире, в который можно попасть при определенных обстоятельствах. Его исследованием занимаются герои, появляющиеся и в цикле «Институт экспертизы».
Цикл «Хронос» остался незаконченным. Кир Булычёв работал над ним с 1992 года и до конца своей жизни. По его словам, создание цикла было для него делом «если не всей жизни, то последнего десятилетия точно». Шесть романов и четыре повести, вошедшие в этот цикл, написаны в жанре альтернативной истории и посвящены возможным путям развития России.
Кроме того, у Кира Булычёва выходили цикл «Верёвкин», названный по городу, в котором происходят события, дилогия о вымышленной стране Лигон (чьим прототипом опять стала Бирма), а также несколько внецикловых романов, повестей и рассказов.
Кир Булычёв оказался самым востребованным писателем-фантастом у советских и российских кинематографистов. По его произведениям и оригинальным сценариям снято более двадцати фильмов и телесериалов, самые известные из которых мультфильмы «Тайна третьей планеты», «Перевал» и «День рождения Алисы», телесериал «Гостья из будущего», полнометражные фильмы «Через тернии к звездам», «Шанс», «Подземелье ведьм», «Слезы капали», «Лиловый шар».