Занимался исследованиями в сравнительном плане по следующим направлениям: становление и развитие систем образования, происхождение и развитие педагогических идей, профессиональное образование, физическое воспитание, трудовое воспитание,модернизация образования. Уделял внимание вопросам методологии сравнительной педагогики.
Основал научную школу сравнительно-педагогических исследований. Подготовил 48 кандидатов и 3 докторов наук.
Автор 10 монографий и более 150 статей.
Статьи Н. Е. Воробьева опубликованы в научных журналах «Педагогика и образование в зарубежных странах», «Вестник высшей школы», «Советская педагогика», «Педагогика», «Школа и производство», «Теория и практика физической культуры» и др.
Участвовал в Третьей конференции работников образования социалистических стран (III Konferencja Pedagogów Krajów Socjalistycznych), проходившей в Варшаве в 1977 году.
В 1989—2017 годах состоял членом диссертационного совета Д 212.027.02 по специальности 13.00.01 Общая педагогика, история педагогики и образования.
