В книге «Основные понятия теории вероятностей» Андрей Николаевич сформулировал в законченном виде аксиоматику (схему логического обоснования) теории: концепцию вероятности, всевозможные ее интерпретации, сферы применимости и т. д. Прекрасное знание многих областей математики – теории множеств, теории интеграла, теории функций и др. – позволило ученому сформулировать простую систему аксиом, давшую этой науке строгий вид нового раздела математики. Аксиоматику Колмогорова, применимую в самых разнообразных областях естественных, технических и гуманитарных наук, называют еще «моделью Колмогорова».

«Значение монографии А.Н. Колмогорова определяется не только предложенной в ней схемой (ставшей универсально принятой) логического обоснования математической теории вероятностей. Ее роль также и в том, что содержащиеся в ней новые концепции, понятия и результаты (такие как условное математическое ожидание, теорема о существовании случайного процесса с заданной системой конечномерных распределений, закон нуля или единицы и др.) открыли новую эру и в развитии самой теории вероятностей, и в расширении сферы ее влияния и областей применения» (Ю.В. Прохоров, А.Н. Ширяев).

В дальнейшем автор, используя свое открытие, заложил основы теории марковских случайных процессов с непрерывным временем, развил теорию стационарных случайных процессов.

Со студенческих лет Колмогоров старался направить свои научные разработки в практическое русло, чем оказал сильнейшее влияние на ряд прикладных разделов математики: историю этой науки и методы ее преподавания, а также на кибернетику, информатику, небесную механику, гидромеханику, метеорологию, кристаллографию, биологию, теорию стрельбы, теорию лингвистики и даже теорию стиха.

В годы Великой Отечественной войны, например, по заданию Главного артиллерийского управления армии ученый на базе своих исследований по теории вероятностей вычислял траектории рассеивания снарядов при стрельбе. После войны разработал статистические методы контроля массовой продукции, тут же востребованные всеми отраслями народного хозяйства СССР. Но тогда же он творил и «чистую» науку, разрешая фундаментальные проблемы математики – по малым знаменателям в задачах классической механики, внедрению понятия энтропии в различные области математики, представлению функций в виде суперпозиций. Отдал он дань и теории вероятностей – ее экстремальным задачам, равномерным предельным теоремам с точки зрения распределений в функциональных пространствах и др. Особым вкладом Колмогорова в развитие советской математики стало создание им научной школы в области теории вероятностей и теории функций. Академик воспитал не один десяток замечательных математиков – А.И. Мальцева, М.Д. Миллионщикова, С.М. Никольского, Ю.В. Прохорова, А.М. Обухова, А.М. Яглома, В.М. Тихомирова, И.М. Гельфанда и др.

Андрей Николаевич прославился не только созданием своей математической школы, но и грандиозной реформой школьного математического образования в 1960-е гг. Проведенная по инициативе и под руководством Колмогорова, реформа сделала советское математическое образование населения лучшим в мире. Нынешние старшее и среднее поколения россиян обучались по учебникам, созданным под руководством и рецензированием Колмогорова (сам он написал учебник геометрии для 6—8-х классов, алгебры и начал анализа для 9—10-х классов), – лучшим учебным пособиям по математике в мировой практике и по сей день. В 1990-х гг. прекрасно зарекомендовавшая себя система школьного математического образования «по Колмогорову» стала «дереформироваться», а нынешние реформы «по Фурсенко», похоже, и вовсе сведут ее на нет. И хотя колмогоровские учебники в школе еще действуют, их одних для решения задачи инновационного развития России будет явно недостаточно.