1072-1073 yılları arasında hazırladığı ünlü eseri "Divanü Lügati'i Türk"ü Abbasi halifesine armağan etti. Bu kitabın asıl nüshası günümüzde halen Ayasofya Müzesi'nde muhafaza edilmektedir.

Kaşgarlı Mahmut kitabını tamamladıktan kısa bir süre sonra Kaşgar'a döndü ve burada vefat etti.

İyi bir eğitim görmüş olan Kaşgarlı Mahmut, İslamiyet ile ilgili çalışmaları yakından takip ederdi. Arapça ve Farsça'yı iyi derecede biliyordu. Özellikle çalışmaları doğrultusunda Türklerin ağırlıkta olduğu bölgeleri gezmiştir. Yaptığı araştırma dil ile sınırlı kalmamış, gelenek ve görenekler üzerine de incelemeler yapmıştır. Ana dili olan Türkçe'nin bütün diyalektlerini ve kollarını yerinde öğrenmiş ve ünlü kitabında bunlara yer vermiştir.

Kitabında bütün Sırderya (Seyhun) kıyılarında bulunduğunu yazan Kaşgarlı Mahmut, yaptığı araştırmada kendi ailesinin de Irak'tan Kaşgar'a göç ettiğini yazmıştır. Daha sonra yapılan araştırmaya göre Sultan Melikşah'ın eşi Terken Hatun'nun maiyetinde o dönemde İslam Dünyası'nın en önemli kültür merkezlerinden biri olan Irak'a birçok göç olduğu ortaya çıkmıştır.

"Türk Sözlüğünün Divamı" anlamına gelen "Kitâbü divân-i lûgat it-Türk", yalnız bir sözlük değil aynı zamanda İslam öncesi Türk Edebiyatı, tarihi, coğrafyası, mitolojisi, gelenek ve görenekleriyle ilgili günümüze ışık tutan bir kaynaktır. 1073-1077 yılları arasında Bağdat'ta yazılan bu kitabın bir diğer özelliği de yabancılara Türk Dili'ni ve kültürünü tanıtmak ve öğretmektir.

Divân-i Lûgat'it-Türk'de Türkçe kelimelerin anlamları Arapça olarak yazılmıştır. Türkçe 7500 kelimenin karşılıkları, Türkçe atasözleri ve savlarda da kitapta yer almaktadır.

Kaşgarlı Mahmut'un "Türk Dillerinin Gramatik İncelemesi" adıyla bir başka kitabının da bulunduğu söylenmekte ise de günümüze kadar ulaşmamıştır. Kaşgarlı Mahmut, Divân-ı Lügat'it Türk'de, Türkçe'nin neden öğrenilmesi gerektiğini şöyle anlatmıştır:

	Ant içerek söylüyorum, ben Buhara'nın, sözüne güvenilir imamlarının birinden ve başkaca Nişaburlu bir imamdan işittim. İkisi de senetleri ile bildiriyorlar ki, Yalvacımız (Peygamber), kıyamet belgelerine, ahir zaman karışıklıklarını ve Oğuz Türklerinin ortaya çıkacaklarını söylediği sırada Türk dilini öğreniniz, çünkü onlar için uzun sürecek egemenlik vardır buyurmuştu. Bu söz (hadis) doğru ise sorguları kendilerinin üzerine olsun Türk dilini öğrenmek çok gerekli bir iş olur. Bu doğru değil ise akıl bunu emreder. Tanrı, Türk burçlarını yükseltmiş ve onların mülkleri üzerinde felekleri döndürmüştür. Tanrı onlara Türk adını vermiş ve yeryüzüne ilbay kılmış, hakanları onlardan çıkartmıştır. Dünya uluslarının yularların onlar eline vermiş, herkese üstün kılmıştır. Onlarla birlikte çalışanları aziz kılmış ve Türkler onları her dileklerine ulaştırmış, kötülerin şerrinden korumuştur. Onlara hedef olmaktan korunabilmek için, aklı olana düşen şey, onların yolunu tutmak, derdini dinletebilmek gönüllerini alabilmek için dilleriyle konuşmaktır.

Kitap daha sonraki dönemlerde birçok bilim adamı tarafından kullanılmıştır. Antepli Aynî diye bilinen Bedreddin Mahmud, İkdü'l-Cumân fî Tarihi Ehli'z-Zamân'da ve Katip Çelebi Keşfü'z-Zûnun'da Bu eserden söz ederler. Ancak sonradan yıllarca unutulmuş, daha sonraları 1857-1923 yılları arasında İstanbul'da yaşamış Ali Emiri'nin eline geçen Sâvî'nin nushası Sadrazam Talat Paşa'nın aracılığı ile Kilisli Rıfat Bilge'nin gözetiminde basılmış hemen bütün dünya Türkologlarının ilgisini çekmiştir.

Eser aynı zamanda batıda da ilgi uyandırmış, 1928 yılında C. Brochkelmann'nın Kaşgarlı Mahmut üzerinde araştırmalar yapmasına sebep olmuştur. Kitabın Uygurca çevirisi 1978 yılında yapılmıştır. Dankoff'un Divânü Lugât-it Türk çevirisi ile James Kelly'nin makaleleri de eser hakkında yapılan son çalışmalardır.