Anfangs befasste er sich mit Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik, wechselte aber nach einer Begegnung mit Harish-Chandra 1960[4], dessen enger Freund und Schüler er wurde, zur Theorie der Lie-Gruppen und Lie-Algebren und ihren Darstellungen mit Anwendungen in der Quantenmechanik. Darüber schrieb er auch einige bekannte Lehrbücher. Später befasste er sich unter anderem mit meromorphen Differentialgleichungen (zusammen mit Donald Babbitt) und mit Supersymmetrie, Super-Lie-Gruppen und supersymmetrischen homogenen Räumen.
Er war der Herausgeber der Gesammelten Abhandlungen von Harish-Chandra (1984). Varadarajan pflegte auch eine lange Freundschaft zu Srishti Dhar Chatterji.
Geometry of Quantum Theory. 2 Bände. Van Nostrand, New York NY 1968–1970, (2. Auflage. Springer, New York NY u. a. 1985, ISBN 3-540-96124-0; Reprint. Springer, New York NY u. a. 2007).
mit Peter C. Trombi: Spherical transforms of semisimple Lie groups. In: Annals of Mathematics. Band 94, Nr. 2, 1971, S. 246–303, doi:10.2307/1970861.
mit Thomas J. Enright: On an infinitesimal characterization of the discrete series. In: Annals of Mathematics. Band 102, Nr. 1, 1975, S. 1–15, doi:10.2307/1970970.
mit Donald G. Babbitt: Deformations of nilpotent matrices over rings and reduction of analytic families of meromorphic differential equations (= Memoirs of the American Mathematical Society. 325, ZDB-ID 220875-1). American Mathematical Society, Providence RI 1985.
An introduction to harmonic analysis on semisimple Lie groups (= Cambridge Studies in Advanced Mathematics. 16). Cambridge University Press, Cambridge u. a. 1989, ISBN 0-521-34156-6.
mit Donald G. Babbitt: Local moduli for meromorphic differential equations (= Asterisque. 169/170, ZDB-ID 191432-7). Société Mathématique de France, Paris 1989.
Algebra in ancient and modern times (= Mathematical World. 12). American Mathematical Society u. a., Providence RI 1998, ISBN 0-8218-0989-X.
The Selected Works of V. S. Varadarajan. American Mathematical Society u. a., Providence RI 1999, ISBN 0-8218-1068-5.
als Herausgeber mit Robert S. Doran: The mathematical legacy of Harish-Chandra. A celebration of representation theory and harmonic analysis. An AMS special session honoring the memory of Harish-Chandra, January 9–10, 1998, Baltimore, Maryland (= Proceedings of Symposia in Pure Mathematics. 68). American Mathematical Society, Providence RI 2000, ISBN 0-8218-1197-5.
Supersymmetry for Mathematicians. An introduction (= Courant Lecture Notes in Mathematics. 11). American Mathematical Society, Providence RI 2004, ISBN 0-8218-3574-2.
Euler through time. A new look at old themes. American Mathematical Society, Providence RI 2006, ISBN 0-8218-3580-7.
Reflections on Quanta, Symmetries, and Supersymmetries. Springer, New York u. a. 2011, ISBN 978-1-441-90666-3.
V. S. Varadarajan und Robert C. Dalang: Srishti Dhar Chatterji (1935-2017): In Memoriam. In: Expositiones Mathematicae. Band36, Nr.3-4, 2018, S.231–252, doi:10.1016/j.exmath.2018.09.005.
↑B. Sury: Veeravalli S Varadarajan: 18th May 1937–27th April 2019. In: Resonance. Band24, Nr.9, September 2019, S.937–940, doi:10.1007/s12045-019-0860-y.