Noël Burch est théoricien du cinéma. Il est l'auteur d'une œuvre atypique et iconoclaste centrée autour de la critique des croyances établies et des mythes fondateurs du cinéma. Son premier ouvrage majeur date de 1969 : Praxis du cinéma. S'inscrivant contre les principes d'André Bazin qui avaient fondé une bonne partie de la pensée française sur le cinéma, notamment celle des Cahiers du cinéma, Noël Burch récuse la vocation du cinéma comme capture ontologique du monde qui n'aboutit, selon lui, qu'à une approbation exaltée de celui-ci. Autrement dit, le réalisme du cinéma se confond souvent avec l'assentiment lénifiant au monde tel qu'il est. Noël Burch promeut, a contrario, la mise en valeur des artifices des moyens cinématographiques qui ne jouent pas le jeu de la transparence entre le monde et la reproduction de celui-ci et qui en désignent, à l'inverse, la fondamentale fausseté. Noël Burch, qui rejetait alors en bloc l'ensemble du cinéma classique américain, nuancera plus tard ces positions marxisantes quelque peu manichéennes. Cet axe critique de son travail, qui révèle la nature idéologique de bien des présupposés, est complété par un axe formaliste qui tend à récuser l'idée de sens et qui s'attache à la stricte analyse de la matière du film : le hors-champ, le raccord, les espaces off, les structures et dialectiques simples, complexes et absentes. Ces concepts formels connaîtront une grande fortune critique dans les années soixante-dix. Cette dénonciation du réalisme naïf, accompagnée de l'élaboration d'outils formels d'analyse, entre en résonance avec le travail effectué à la même époque par la revue Tel Quel qui publiait des textes des formalistes russes des années vingt.
Passant de la critique du mythe de la représentation à celle du mythe de l'évolution, Noël Burch s'attaque au cinéma primitif dans La Lucarne de l'infini. De la critique du réalisme comme imposant le leurre de la transparence entre le monde et sa représentation, il passe à une seconde critique : contrairement à la croyance courante d'une évolution organique du cinéma qui aboutirait tout naturellement aux formes que nous connaissons aujourd'hui, le cinéma aurait eu à ses origines de multiples possibilités de développement. Celles-ci auraient été contrariées par les impératifs capitalistes, notamment hollywoodiens, qui auraient imposé le « mode de représentation industriel ». Le moyen de réfuter le mythe d'une évolution univoque du cinéma est de retourner à ses origines, là où tout était encore possible, à la recherche d'un « mode de représentation primitif ». Ce renouvellement de l'analyse du cinéma primitif s'inscrit dans le champ de réflexion lancé par le Congrès de la FIAF à Brighton en 1978. L'analyse du cinéma des origines comme marqué par les impératifs sociaux et économiques qui virent le jour entre 1892 et 1929 se prolonge dans Pour un observateur lointain, ouvrage sur le cinéma japonais.
La troisième partie du travail de Noël Burch met en pratique l'adoption de points de vue qui s'éloignent très nettement de la tradition intellectuelle française et rejoignent un certain « esprit américain » d'analyse des œuvres : intérêt pour les minorités sous-représentées, les différences sexuelles et les pratiques culturelles subversives. Là encore, ses travaux s'attachent à démonter les courants majoritaires de représentation et d'analyse pour mettre au jour les forces souterraines qui travaillent ces mêmes courants. Dans Revoir Hollywood. La nouvelle critique hollywoodienne, Burch propose un choix de textes qui revisitent des classiques hollywoodiens à la lumière des nouvelles théories féministes et des études culturelles britanniques et qui révèlent ainsi des « sous-textes » dans les films témoignant de leurs profondes ambivalences. Le mythe du maccarthysme et celui de la répartition des rôles féminins et masculins dans le cinéma français ont aussi fait l'objet de ses recherches récentes.