Mortensen forskade inom områdena informations- och arbetsmarknadsteori. Hans mest kända arbete är artikeln ”A Theory of Wage and Employment Dynamics”, i Edmund Phelps (utgivare), Microeconomic Foundations of Employment and Inflation Theory (1970). Denna artikel gav den första strikta teoretiska härledningen av Phillipskurvan med utgångspunkt från neoklassisk mikroteori och sökteori.