Вероятно около 13 года до н. э. написал трактат «Десять книг об архитектуре», посвященный императору Августу. На тот момент — единственная латинская книга об архитектуре, на сегодня — единственный сохранившийся античный источник.
Витрувий не только обобщил опыт римского и греческого зодчества, но и рассмотрел в книге ряд сопутствующих градостроительных и инженерно-технических вопросов, а также практики строительства и принципов художественного восприятия. В результате получилась своеобразная «политехническая энциклопедия» I века до н. э., сохранившая свое значение на протяжении двух тысячелетий.
Первая книга этой «законченной системы архитектуры» посвящена обучению архитекторов свободным искусствам, теории архитектуры и техническим навыкам, определению основных архитектурных принципов и понятий и выбору места для строительства городов и крепостей. Во II книге содержатся практические указания по строительству и описания свойств различных материалов и способов их употребления. В III книге идет речь о планах храмов и о компонентах ионического ордера; в IV книге— о происхождении ордеров, о деталях коринфской капители, о дорическом и тосканском ордерах, о внутреннем пространстве здания. В V книге описываются различные типы общественных построек: форум, базилика, сокровищница, тюрьма, здание Сената, театр (имеется раздел по гармонии и акустике), термы, гимнасий, порт, верфи. В VI книге речь идет о частных домах, городских и загородных с садами, для провинций с разным климатом и для представителей различных социальных групп. VII книга посвящена оформлению интерьеров; главное внимание здесь уделяется техническим аспектам монументальной живописи и законам перспективы. В VIII книге идет речь о водных ресурсах, способах проведения воды и проверки ее качества. IX книга посвящена геометрии, астрономии, устройству гномона, солнечных и водяных часов, других приборов. X книга заключает трактат рассуждениями об общих принципах механики, об устройстве различных механизмов, используемых в строительстве, гидротехнике и на войне.
В Средние Века трактат был достаточно известен: до сих пор сохранилось более 80 разноязычных средневековых манускриптов с его текстом (древнейший датирован 996 годом).
Наибольшую популярность работа Витрувия обрела в раннее Возрождение. Иногда говорят, что Возрождение и началось с открытия «Десяти книг об архитектуре».
Витрувий первым из теоретиков архитектуры высказал гипотезу о возникновении архитектуры. Он поставил проблему золотой середины между теорией и практикой, описал основные понятия эстетики, соразмерность здания и человека, впервые в истории исследовал проблему музыкальной акустики помещений. Возможно, рекомендации по улучшению акустики в закрытых помещениях и в театрах под открытым небом связаны с собственными экспериментами автора в этой области, находящейся на стыке математики, физики и музыки.