Die Forschungsschwerpunkte von Walter Fellmann liegen im allgemeinen und besonderen Vertragsrecht. So hat er 1992 mit dem Berner Kommentar zum einfachen Auftrag (Art. 394–406 OR) an der Universität Zürich habilitiert und sich seither, ausgehend von dieser auftragsrechtlichen Grundlage, immer wieder mit dem Dienstleistungsvertragsrecht befasst. Daraus gingen namentlich grundlegende Arbeiten zum Arztrecht, insbesondere zur Beziehung zwischen Arzt und Patient, und zum Anwaltsrecht hervor. In beiden Gebieten weiteten sich die Publikationen bis in das Berufsrecht, also in das öffentliche Recht, aus. Früchte dieser Untersuchungen sind Kommentare zu den Berufspflichten der Medizinalpersonen (Art. 40 MedBG) sowie der Anwältinnen und Anwälte (Art. 12 BGFA) und ein Lehrbuch zum Anwaltsrecht. Daneben befasste sich Walter Fellmann auch mit Fragen des privaten Baurechts sowie mit dem Recht der einfachen Gesellschaft, das im Berner Kommentar zur einfachen Gesellschaft (Art. 530–544 OR) in Co-Autorschaft mit Frau Prof. Dr. Karin Müller aufgearbeitet wurde.

Ein gewichtiges Tätigkeitsgebiet von Walter Fellmann ist das vertragliche und das ausservertragliche Schadenersatzrecht sowie das entsprechende Privatversicherungsrecht. Daraus gingen zahlreiche Publikationen zur Haftung des Arztes, des Anwalts und des Architekten hervor. Daneben hat sich Walter Fellmann intensiv mit Produkthaftung und Produktsicherheit befasst und auf diesem Gebiet verschiedene massgebende Arbeiten veröffentlicht, unter anderem im Basler Kommentar ein Kommentar zum Produkthaftungsgesetz (PrHG). Erschienen sind inzwischen auch als Grundlagenwerke und Lehrbücher Band I (in Co-Autorschaft mit Frau Dr. Andrea Kottmann) und Band II des Schweizerischen Haftpflichtrechts; Band III ist in Arbeit und wird 2015 erscheinen.

Ausgehend von den Erfahrungen bei der freiberuflichen Tätigkeit als Anwalt, welche Walter Fellmann neben seiner akademischen Tätigkeit stets weiterführte, finden sich unter seinen Publikationen auch zahlreiche Arbeiten zum Prozessrecht, namentlich zum Haftpflichtprozess.

In seiner Lehrtätigkeit an der Universität hält Walter Fellmann Vorlesungen zum Schadensrecht, zum Medizinrecht (zusammen mit Frau Prof. Dr. Regina Aebi-Müller), zum Anwaltsrecht und zu Grundfragen des Obligationenrechts in der Praxis. Ferner beteiligt er sich an den Privatrechtlichen Übungen am Ende des Bachelorstudiums.

Walter Fellmann ist auch in der Fortbildung stark engagiert. So leitet er unter anderem zusammen mit Prof. Dr. Marc Hürzeler den CAS-Ausbildungslehrgang Haftpflicht- und Versicherungsrecht, dessen Bestehen die Voraussetzung für die Erteilung des Titels eines Fachanwalts SAV Haftpflicht- und Versicherungsrecht durch den Schweizerischen Anwaltsverband bildet. Daneben hält er an verschiedensten Tagungen Fachvorträge und organisiert selber Fortbildungsveranstaltungen.