Klee befasste sich mit vielen Gebieten der Mathematik wie Funktionalanalysis, Theorie der Konvexität, Optimierungstheorie, Algorithmentheorie, Kombinatorik, Graphentheorie und Geometrie. In den 1960er Jahren leistete er wichtige Beiträge zur Theorie der konvexen Polyeder. Er wandte seine Untersuchungen konvexer Polytope auf die Lineare Programmierung an und zeigte mit George Minty (unter Verwendung von Klee-Minty-Polytopen und Klee-Minty-Würfeln), dass die Lösung einiger Probleme mit dem Simplex-Verfahren exponentiellen Rechenaufwand (statt polynomial mit der Größe des Problems zu wachsen) erfordert, obwohl die Methode in der Praxis meist schneller zum Ziel gelangt. Klee zeigte (unter Verwendung von speziellen Polyedern, Kleetopen), dass in jeder Dimension Polyeder ohne Hamiltonsche Wege (die alle Ecken genau einmal durchlaufen) existieren.
Von Klee stammt das Problem der minimalen Anzahl von Wachen in einem Museum, modelliert als ebenes Polygon mit n Seiten (Art Gallery Theorems, Problem der Museumswächter). Beweise für die von Klee vermutete minimale Anzahl (der zu n/3 nächstkleineren natürlichen Zahl) stammen von Vašek Chvátal (1973) und Steve Fisk.[5]
Klee arbeitete auch an der Monographie von Branko Grünbaum, eines Kollegen an der University of Washington, über konvexe Polytope mit. Er veröffentlichte über 245 wissenschaftliche Aufsätze und hatte 36 Doktoranden (davon 34 in Mathematik), unter anderem Bernd Sturmfels und Robert Phelps.
Peter Gritzmann, Bernd Sturmfels (Herausgeber): Applied Geometry and Discrete Mathematics - the Victor Klee Festschrift, American Mathematical Society 1990 (zum 65. Geburtstag von Klee)
Gritzmann, Sturmfels: Victor Klee (1925-2007), Notices American Mathematical Society, Bd. 55, April 2008, Online