Seine eigentlichen Arbeiten widmete er der Beschäftigung mit Schubert und Beethoven. In den Jahren 1868 und 1874 veröffentlichte er die ersten Werkverzeichnisse von Schubert und Beethoven, seit 1865 legte Nottebohm mehrere Bücher über Beethovens Skizzen und die daraus zu erkennende Kompositionstechnik vor. 1880 veröffentlichte er neue Forschungsergebnisse zu Mozart.
Nottebohm gilt als Begründer der modernen Skizzen-Forschung, die heute einen wichtigen Teil der Beethoven-Forschung ausmacht, da sie einen einmaligen Einblick in den künstlerischen Schaffensprozess des Komponisten ermöglicht. Nottebohms Publikationen über Beethovens Skizzen sind bis heute unentbehrlich, so dass sein Name als bedeutender Forscher bis heute in musikalischen Fachkreisen lebendig geblieben ist. Auf Nottebohm geht auch die Entdeckung zurück, dass das Hauptthema der Bachschen „Kunst der Fuge“ mit den drei Themen des unvollendeten Contrapunctus XIV aus dem genannten Werk Bachs nach den Regeln des vierfachen Kontrapunkts kombinierbar ist.[1]
Im Jahr 1921 wurde in Wien-Döbling (19. Bezirk) die Nottebohmstraße nach ihm benannt.
Briefe von Nottebohm werden im Staatsarchiv Leipzig aufbewahrt.
Thematisches Verzeichniss der im Druck erschienenen Werke von Ludwig van Beethoven, 2., verm. Aufl., Leipzig 1868
Beethoveniana. Aufsätze und Mittheilungen, Leipzig 1872 (Digitalisat)
Beethoven’s Studien, nach den Original-Manuscripten dargestellt, Band 1, Beethoven's Unterricht bei J. Haydn, Albrechtsberger und Salieri, Leipzig 1873 (Band 2 nicht erschienen)
Thematisches Verzeichniss der im Druck erschienenen Werke von Franz Schubert, Wien 1874
Ein Skizzenbuch von Beethoven aus dem Jahre 1803, Leipzig 1880
Mozartiana. Von Mozart herrührende und ihn betreffende, zum großen Theil noch nicht veröffentlichte Schriftstücke. Nach aufgefundenen Handschriften, Leipzig 1880 (Digitalisat)
Hans Joachim Moser: Gustav Nottebohm (1817–1882) in: Steffens/Zuhorn (Hg.), Westfälische Lebensbilder, Hauptreihe, Band VI, Münster 1957, S. 135–146
Hans Clauß: Gustav Nottebohms Briefe an Robert Volkmann, Lüdenscheid 1967
Wolfgang Hoffmann: Gustav Nottebohm – Ein Leben im Dienste der Musik in: Lüdenscheider Nachrichten, 11./12. November 1967
Renate Federhofer-Königs: Das Wiener Musikleben der Jahre 1846–1848 in der Korrespondenz Gustav Nottebohm–Robert Schumann. Mit unveröffentlichten Briefen Nottebohms, in: Studien zur Musikwissenschaft, Band 37 (1968), S. 47–101
Wolfgang Hoffmann: Ein begabter Fabrikantensohn aus Lüdenscheid machte sich als Musikforscher großen Namen – Vor hundert Jahren starb in Graz der Wissenschaftler und Komponist Gustav Nottebohm in: Lüdenscheider Nachrichten, 30./31. Oktober 1982
