Работы по фонетике русского языка, диалектологии, теории письма. Л. Л. Касаткин — автор многих вузовских учебников по современному русскому языку и русской диалектологии.
В трудах по русской литературной и диалектной фонетике Л. Л. Касаткин предпринимает попытку развития идей Московской фонологической школы, высказанных в трудах Р. И. Аванесова и М. В. Панова, разрабатывает теорию фонетических позиций, фонетических чередований; им введено понятие суперфонемы.
Л. Л. Касаткин использует данные фонетики русских диалектов для реконструкции фонетической системы древнерусского языка и происходивших в ней процессов. Так, им выдвинуты версии о первичности «европейского», нейтрального [l] (а не веляризованного [л]) в русском языке; описаны говоры без категории твёрдости/мягкости согласных (Касаткин, опираясь на закон Бодуэна де Куртенэ — Панова, считает это архаичной чертой данных говоров, где, по его мнению, корреляция по твёрдости/мягкости не успела сформироваться); предложены уточнения традиционной хронологии падения редуцированных в истории русского языка.
Работы
Прогрессивное ассимилятивное смягчение задненёбных согласных в русских говорах. М.: Наука, 1968.
Современная русская диалектная и литературная фонетика как источник для истории русского языка. М.: Наука; Школа «Языки русской культуры», 1999. 528 с. (Studia philologica). ISBN 5-02-011718-8 (Наука), ISBN 5-7859-0059-9 (Школа «ЯРК») книга в сети
Долгота / краткость согласного на месте сочетаний двух согласных букв в современном русском литературном языке. М.: МГУ, 1999 (в соавт. с М. Ч. Чой). 2-е изд. — М.: Языки славянских культур, 2005.
Фонетика современного русского литературного языка. М.: Изд-во МГУ, 2003. 224 с. ISBN 5-211-04814-8
Русская диалектология / Под ред. Л. Л. Касаткина. М.: Просвещение, 1989. 2-е изд.: М.: Академия, 2005. 288 с. ISBN 5-7695-2007-
Русские народные говоры. Звучащая хрестоматия. Южнорусское наречие / Под ред. Р. Ф. Касаткиной. М.: Наука, 1999 (в соавт. с Р. Ф. Касаткиной, А. М. Красовицким, Д. М. Савиновым, Е. В. Щигель).