Autore di numerosi saggi, tra cui varie monografie, ma anche edizioni di fonti e curatele, si è occupato di storia della Chiesa dalla Rivoluzione francese a oggi, soffermandosi in modo particolare sul rapporto tra Chiesa e nazione, sul tema della "guerra giusta" nel cattolicesimo fra '800 e '900, sull'utilizzo, da parte della Chiesa contemporanea, di immagini o culti volti alla riaffermazione della propria funzione nella società di fronte al processo di secolarizzazione seguito alla Rivoluzione Francese, sul rapporto fra cattolicesimo e totalitarismo.
Con Giovanni Filoramo ha curato una Storia del Cristianesimo in quattro volumi. È condirettore, assieme allo stesso Filoramo, della "Rivista di Storia del Cristianesimo". I suoi studenti della Scuola Normale gli hanno dedicato il volume Un mestiere paziente. Gli allievi pisani per Daniele Menozzi (Pisa, ETS, 2017).
Opere principali
"Philosophes" e "chrétiens éclairés", Brescia, Paideia, 1976.
Cristianesimo e Rivoluzione Francese, Brescia, Queriniana, 1977.
Letture politiche di Gesù. Dall'Ancien Régime alla Rivoluzione, Brescia, Paideia, 1979 (trad. francese)
Chiesa, poveri, società nell'età moderna e contemporanea, Brescia, Queriniana, 1980.
Lettere pastorali del vescovi dell'Emilia Romagna (a cura di), Genova, Marietti, 1986.
Lettere pastorali dei vescovi della Toscana (a cura di D. MENOZZI e B. BOCCHINI CAMAIANI), Genova, Marietti, 1990.
La Chiesa italiana e la Rivoluzione Francese, (a cura di), Bologna, EDB, 1990
Les images. L'église et les arts visuels, Paris, Cerf, 1991.(trad. italiana, Milano, 1995)
Il 'caso Lefebvre', (a cura di), Genova, Marietti, 1991.
Chiesa cattolica e secolarizzazione, Torino, Einaudi, 1993. (trad. portoghese)
Li avrete sempre con voi. Profilo storico del rapporto fra Chiesa e poveri, Torino, Gruppo Abele, 1995.
Storia del cristianesimo, 4. voll. (a cura di G. FILORAMO e D. MENOZZI), Bari, Laterza, 1997.
Episcopato e società da Leone XIII a Pio X, Bologna, il Mulino, 2000.
I papi del Novecento, Firenze, Giunti, 2000.
Antonio Baldovinetti e il riformismo religioso toscano nel Settecento (a cura di) Roma, Ed. di Storia e Letteratura, 2002.
Sacro Cuore. Un culto tra devozione interiore e restaurazione cristiana della società, Roma, Viella, 2002.
Cattolicesimo e totalitarismo. Chiesa e cultura religiosa tra le due guerre mondiali. Italia, Francia e Spagna(a cura di D. MENOZZI e R. MORO), Brescia, Morcelliana, 2004.
Una storiografia inattuale? Giovanni Miccoli e la funzione civile della ricerca storica (a cura di D. MENOZZI e G. BATTELLI), Roma, Viella, 2005.
Giovanni Paolo II. Una transizione incompiuta?, Brescia, Morcelliana, 2006.
Chiesa, pace e guerra nel Novecento. Verso una delegittimazione religiosa dei conflitti, Bologna, il Mulino, 2008.
Le vie della libertà. Maestri e discepoli nel laboratorio pisano tra il 1938 e il 1943 (a cura di D. MENOZZI, B. HENRY, P. PEZZINO), Roma, Carocci, 2008.
Le religioni e il mondo moderno. Vol. I. Il Cristianesimo, (a cura di), Torino, Einaudi, 2008.
La storia della Scuola Normale Superiore di Pisa in una prospettiva comparativa, (a cura di D. MENOZZI e M. ROSA), Pisa, Edizioni della Normale, 2009.
Un paese in guerra. La mobilitazione civile in Italia. 1914-1918 (a cura di D. MENOZZI, G. PROCACCI, S. SOLDANI), Milano, Unicopli, 2010.
Mazzini e il Novecento (a cura di D. MENOZZI e A. BOCCHI), Pisa, Edizioni della Normale, 2010.
A settant'anni dalle leggi razziali. Profili culturali, giuridici e istituzionali dell'antisemitismo (a cura di D. MENOZZI e A. MARIUZZO), Roma, Carocci, 2010.
Pio IX. Religione e politica al vaglio della modernità, (a cura di D. MENOZZI e M. AL KALAK), Modena, Mc Offset, 2011.
Storici e religione nel Novecento italiano (a cura di D. MENOZZI e M. MONTACUTELLI), Brescia, Morcelliana, 2011.
Chiesa e diritti umani: Legge naturale e modernità politica dalla Rivoluzione Francese ai nostri giorni, Bologna, il Mulino, 2012.
«Giudaica perfidia». Uno stereotipo antisemita fra liturgia e storia, Bologna, il Mulino, 2014.
La Chiesa italiana nella Grande Guerra (a cura di D. MENOZZI), Brescia, Morcelliana, 2015.
Delio Cantimori (1904-1966). Libri, documenti e immagini dai fondi della Scuola Normale, (a cura di D. MENOZZI e F. TORCHIANI), Pisa, Edizioni della Normale, 2016.
I papi e il moderno. Una lettura del cattolicesimo contemporaneo (1903-2016), Brescia, Morcelliana, 2016.
Storiografia e impegno civile. Studi sull'opera di Roberto Vivarelli (a cura di D. MENOZZI), Roma, Viella, 2017.
Da Cristo Re alla città degli uomini. Cattolicesimo e politica nel '900, Brescia, Morcelliana, 2019.
Storia della Chiesa. 4. L'età contemporanea, Bologna, Dehoniane, 2019.
«Crociata». Storia di un'ideologia dalla Rivoluzione francese a Bergoglio, Roma, Carocci, 2020.
Il potere delle devozioni. Pietà popolare e uso politico dei culti in età contemporanea, Roma, Carocci, 2022.
Tra mito della nazionalità e mito della cristianità. Immagini di san Francesco dai «lumi» a Pio XII, Spoleto, Fondazione Centro Italiano di studi sull'Alto Medioevo, 2022.
Il papato di Francesco in prospettiva storica, Brescia, Morcelliana, 2023.
