Syaikh Musthafa Azami memiliki banyak karya ilmiah. Adapun karya ilmiah beliau antara lain:
1. Diraasaat fii al-Hadist an-Nabawy wa Taariikh Tadwiinih (Sejarah kajian hadis dan sejarah kodifikasinya).
2. Manhaj an-Naqd 'Inda al-Muhaddistin (Metode kritik menurut para ulama' hadist). Pada kitab ini, beliau menambahkan kutipan kitab Mukhtashar at-Tamyiiz karya Imam Muslim.
3. Diraasah an-Naqdiyyah li Kitab Ushuul asy-Syari'ah al-Muhammadiyyah-Syaakt (Kajian kritis buku "The Islamic Law" karya orientalis Joseph Schacht).
4. Taariikh Tadwiin Al-Qur'an al-Kariim (Sejarah kodifikasi Al-Qur'an al-Karim).
5. An-Nash Al-Qur'any al-Khaalid 'abr  al-'Ushuur (Nash Al-Qur'an yang abadi sepanjang masa). Pada kitab ini beliau membuat perbandingan 17 mushaf al-Qur'an kuno yang beliau kumpulkan dari berbagai negara. Adapun surah yang dijadikan perbandingan ialah surah al-Isra'.
6. Selain itu beliau juga mentahqiq kitab hadis diantaranya: Shahih Ibnu Khuzaimah, al-Muwattha' imam Malik, Sunan Ibnu Majah, at-Tamyiiz imam Muslim, al-Ilal Aly bin al-Madiny, al-Maghazy Rasulillah karya Urwah bin Zubair.
Syaikh Musthafa Azami sangatlah kritis dalam membantah pemahaman orang-orang Orientalis yang sengaja menyerang Al-Qur'an dan Hadis Rasulullah saw, terutama terkait tentang pembuktian bahwa hadis merupakan bersumber langsung dari Nabi saw, tanpa diada-adakan. Beliau berhasil membungkam pendapat-pendapat para Orientalis seperti Ignaz Goldziher, Josep Schacht, A.J. Wensink, dll, serta beliau membuktikan bahwa pendapat mereka adalah tidak benar dan tidak ilmiah. Para Orientalis meneliti hadis hanya berdasarkan dugaan yang jauh dari kata ilmiah.
Beliau menunjukkan dasar-dasar yqng valid terkait hadis itu benar-benar berasal langsung dari Nabi saw, selain itu beliau juga mencoba mengoreksi pendapat-pendapat ulama' hadis dan ulama' pembaharu yang dirasa salah dan tidak tepat.Â
Syaikh Muhammad Musthafa Azami kembali kepada Allah pada tanggal 20 Desember 2017, sekitar pukul 05.30 waktu Saudi. Jenazah beliau dishalatkan di masjid ar-Rajhi, Riyadh setelah shalat Zuhur, dan selanjutnya dikebumikan di pemakaman an-Naseem, Riyadh, Arab Saudi.