Наиболее известен своими исследованиями пространственных репрезентаций: ментального вращения, иллюзий восприятия. Является изобретателем звуковой иллюзии — тона и лада Шепарда.
Интересовался также проблемой НЛО. Владимир Гаков писал в статье в «Науке и религии», что Роджер Шепард в своём докладе сенатскому подкомитету по науке и астронавтике заявил, что «проблема НЛО в большей степени относится к сфере компетенции психолога, нежели физика».[9]