他提出了鲁棒控制系统参数化设计的思想框架并奠定了其理论基础，基本完成了鲁棒控制系统参数化设计的一个理论体系。其研究得到国际同领域专家学者的高度评价，多个基本结果被作为多个国际控制领域重要刊物论文中的基本引理，学术思想和基本公式被广泛采用，对控制理论的发展起到了重要推动作用。
他提出的关于一类重要的矩阵方程的求解算法被国际同行称为“段算法”，并被国际控制理论界多位学者采用。他提出的鲁棒输出反馈极点配置方法被国际同行称为“段方法”，被国内外学者应用于实际控制系统设计。
多年来，段广仁写作出版了包括两部英文著作在内的4部学术著作，其中的一部中文著作还获得了两项国家级励。发表SCI论文230多篇，主持了多项重要课题，其中包括国家重大科技专项中的项目、国家自然科学基金创新群体项目、“杰青”项目、“973”计划课题，教育部“长江学者”计划项目、总装武器装备预研基金重点项目等多项科研课题。
作为第一完，段广仁获得国家自然科学二等1项、省部级自然科学一等2项、省部级科技进步二等3项。培养了100多名硕士、博士生，在他的学生中，有两名博士生获得了全国百篇优秀博士论文，也有人成长为”长江学者”和国家“杰青”获得者。
生活中的“鲁棒应用”
不知是巧合还是必然，作为一名鲁棒控制系统研究领域的专家，段广仁的学习和生活中也处处跳动着“鲁棒”强健的节奏，渗透出一个学者成功的秘密。
段广仁自幼生活在农村，上大学前不知ABC为何物。1979年考入原东北重型机械学院(现为燕山大学)，英语基础一片空白的他无缘进入由英语成绩非常优秀的学生组成的口语班，于是就自己悄悄学。终于听说口语班有个学生要转走，空出一个名额，他鼓足勇气在校园的小上拦住了口语班的外教老师，用“手语”和磕磕巴巴的英语表达了想加入口语班的愿望。那位豁达的外教欣然允许，段广仁就这样坐在了口语班的课堂上。
刚开始，段广仁连外教用英语点他的名字都听不出来，同桌用胳膊捅他一下，他才知道要站起来回答问题。从那以后，刻苦成了他的代称，功夫不负有心人，很快，段广仁后来居上，还当上了口语班的班长。到了大学三年级，他便开始用英语记录所有课程的课堂笔记，连最难懂的理工科专业课程也这样做。这种近乎疯狂的学习方式，帮段广仁奠定了扎实的英语功底，这也是他后来论文高产、英文著作顺利写作出版的基础。