Как писатель-фантаст дебютировал в середине 1960-х годов. Рассказы о приключениях на Земле и в космосе девочки из XXI века Алисы Селезнёвой положили начало объемной серии детской научной фантастики, принёсшей автору значительный успех и популярность среди широкой аудитории почти на четверть столетия. Дар юмориста Булычев впечатляюще продемонстрировал в повестях и рассказах о жителях провинциального города Великий Гусляр. Часть этих произведений вошла в сборник «Чудеса в Гусляре», который вышел в 1972 году. Автор цикла о «космическом докторе» Павлыше, включающем романы «Последняя война» (1970), «Поселок» (1988), повести «Тринадцать лет пути» (1984), «Великий Дух и беглецы» (1972) и другие. На протяжении всего творческого пути занимался переводами, на рубеже веков писал стихи, пьесы, детективы, разноплановые повести и рассказы. Автор мемуарной книги «Как стать фантастом» (1999) и монографии о довоенной советской фантастике «Падчерица эпохи» (2003). По произведениям Кира Булычева сняты художественные и мультипликационные фильмы, изданы комиксы, выпущены диафильмы. Его произведения переведены на многие языки мира и народов бывшего СССР.