Често га називају математичарем аматером, али је то тачно само у смислу да није био плаћен за своја истраживања. Посвећивао је много времена математици, међутим, пошто му приходи од ње нису били неопходни за живот, није објавио скоро ниједан свој рад. По устаљеном обичају у 17. веку, путем писама је комуницирао са другим математичарима тог времена. Бавио се различитим областима математике и свакој од њих је дао значајан допринос. Иако се алгебарска координатна геометрија често назива по Ренеу Декарту, Ферма ју је, бавећи се геометријом, развио независно од њега. Заједно са Блезом Паскалом, са којим се никада није срео, од 1654. године кроз писма је решавао проблем познат као „проблем недовршене игре“ и у овој дискусији поставио темеље теорије вероватноће. Највећи допринос математици Ферма је дао изучавајући теорију бројева, једну од њених најелегантнијих и најзагонетнијих области. Проучавајући савршене бројеве, оне који су једнаки суми својих правих делилаца, открио је такозвану Малу Фермаову теорему, кључну за тест којим се утврђује да ли је неки број потенцијално прост. Међутим, своју славу Ферма је стекао на основу Велике, односно Последње Фермаове теореме. Наиме, након његове смрти 1665. године, откривена је његова белешка да једначина x^n+y^n=z^n нема решења када су x, y и z позитивни цели бројеви, а n цео број већи од 2. Ову белешку је додао на маргини Диофантове „Аритметике“ уз коментар: „Открих уистину предиван доказ овога, но не нађох на маргини места, те га не написах овде“. Међутим, наредна скоро четири века нико није могао ни да докаже, ни да оповргне ову тврдњу. Последњу Фермаову теорему је тек 1994. године доказао енглески математичар Ендру Вајлс. Вајлс је користио технике које нису биле познате у Фермаово доба како би извео дугачак и сложен доказ који потврђује чувену тврдњу.