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Entré auCNRS en 1989, il se consacre depuis son premier livre (Être communiste en URSS sous Staline, 1981) à l'histoire soviétique. C'est particulièrement l'histoire sociale des années 1920-1930 qui l'intéresse, notamment les rapports entre le pouvoir et la société (violence étatique, résistances sociales…).
Nicolas Werth participe depuis 1997 au séminaire « Histoire soviétique : sources et méthodes », placé sous la direction deWladimir Berelowitch[3], du Centre d'études des mondes russe, caucasien et centre-européen (CERCEC) de l'EHESS. Il est par ailleurs membre des comités de rédaction deVingtième Siècle. Revue d'histoire et desCahiers du monde russe.
Nourrissant sa réflexion et ses travaux, non seulement des acquis de lasoviétologie occidentale, mais aussi des travaux de ses collègues russes (lerusse étant sa langue maternelle), il place ses recherches dans la perspective d'un dépassement du clivage entre « école dutotalitarisme » et « écolerévisionniste », le considérant comme obsolète après l'effondrement de l'URSS et l'ouverture au moins partielle des archives[4]. Pourtant, par son attachement à l'histoire sociale,« longtemps restée la parente pauvre d'une soviétologie axée exclusivement sur le politique »[5], il se place plutôt dans la perspective des travaux des historiens « révisionnistes ».
Il explique d'ailleurs, à l'opposé de certains soviétologues qui pensaient que le contrôle totalitaire de la société soviétique avait été effectif, que les rapports de la police politique« dévoilent souvent la distorsion existant entre une réalité voulue et la réalité des faits »[6].
Auteur de la partie duLivre noir du communisme consacrée à laRussie soviétique et à l'URSS, il s’est publiquement démarqué de l’idée contenue dans la préface deStéphane Courtois selon laquelle lecommunisme serait par essence criminogène[7]. Il a également dénoncé, concernant cette préface, un bilan biaisé du total des victimes du communisme (selon Werth, le bilan serait de 65 à 93 millions)[7], et« une dérive de l'histoire exclusivement policière »[8]. Il affirme :« [...] le Livre noir n'est pas une somme définitive, encore moins une Bible. Etape d'une indispensable réflexion, il aura rempli son but s'il stimule de nouvelles recherches, sans tabous, mais aussi sans préjugés »[7].
Il contribue àL’Histoire du Goulag stalinien, travail de recherche en sept volumes initié par les Archives d’État de la fédération de Russie et laFondation Hoover, dont il co-rédige le premier volume, Les politiques répressives en URSS de la fin des années 1920 au milieu des années 1950[9]. Il est, en 2007, conseiller historique du documentaireStaline, le tyran rouge, diffusé surM6 ainsi que pour le filmMoissons sanglantes - 1933, la famine en Ukraine (2022) deGuillaume Ribot relatant les observations dujournalistegalloisGareth Jones qui, à partir de mars 1933, a parcouru clandestinement les campagnes ukrainiennes durant lafamine connue sous l'appellation d'Holodomor.
Nicolas Werth préside l'association Mémorial-France, la branche française de l'association russeMemorial[10],[11].
La Vie quotidienne des paysans russes de la Révolution à la collectivisation (1917-1939), Paris, Hachette, 1984, 410 p. —Prix Albéric-Rocheron de l'Académie française en 1984
Essai sur l'histoire de l'Union soviétique 1914-1991, Paris, Perrin,coll. « Tempus », (1reéd. 2019), 476 p.(ISBN9782262078799)Les chapitres du livre ont été publiés dans la revueL'Histoire entre 1981 et 2016 et revus, amendés ou augmentés pour cette édition à la lumière des recherches de l'auteur.