В 1905 г. предложил проект переделки магазинной винтовки системы Мосина обр. 1891 г. в автоматическую. В 1906 г. приступил к разработке повой автоматической винтовки. Успешная деятельность Федорова по проектированию автоматических винтовок была отмечена в 1912 г. большой Михайловской премией, вручавшейся раз в пять лет за наиболее выдающиеся изобретения в области артиллерии. В 1913 г. Федоров спроектировал 6,5-мм автоматическую винтовку под собственный патрон улучшенной баллистики. Эта винтовка была использована в 1916 г. для переделки в автомат.
После Великой Октябрьской социалистической революции Федоров на базе созданного им автомата разработал различные унифицированные образцы пулеметов. Его работа по изучению и систематизации материалов, связанных с проектированием, изготовлением и боевым применением автоматического оружия, была сопряжена с выпуском ряда трудов, оказавших большую помощь конструкторам оружия.
В 1907 г. вышла в свет книга Федорова «Автоматическое оружие», которая долгое время была единственным пособием при создании новых образцов стрелкового оружия. Большое значение имели его работы, изданные в советское время: «Основания устройства автоматического оружия» (1931 г.) и «Составление рабочих чертежей и технических условий для образцов стрелкового оружия» (1934 г.). Эти работы сыграли большую роль в деле подготовки молодых кадров советских оружейников — конструкторов и технологов. Федорову принадлежит также много трудов по истории развития отечественного холодного и стрелкового оружия, наиболее ценными из которых являются «Эволюция стрелкового оружия» в двух частях и «Оружейное дело на грани двух эпох» в трех частях, изданные в 1938–1939 гг.
Несомненный интерес представляют и работы Федорова, посвященные военной истории Древней Руси. Ценным историческим исследованием явилась его книга «К вопросу о дате появления артиллерии на Руси», вышедшая в 1949 г. В ней с великолепной научной аргументированностью доказывается, что первое боевое применение артиллерии на Руси относится к 1382 г.