Анатолий Пантелеевич Деревянко разработал новую пространственно-временную версию путей первоначального заселения Азии, создал периодизацию, хронологию и динамику палеолита в регионе. Открыл и исследовал десятки археологических объектов, в том числе ставшие эталонными памятники различных эпох и культур в широком хронологическом диапазоне от палеолита до железного века (поселения Новопетровка, Кукелово, стоянки на р. Селемдже и др.). Инициатор и руководитель программы по комплексному изучению пещерных памятников палеолита Южной Сибири и Центральной Азии. Основатель международного научно-исследовательского стационара «Денисова пещера» (Горный Алтай). Под его руководством и при его участии заложены основы мультидисциплинарного подхода к анализу археологических источников.

А.П. Деревянко участвовал в археологических экспедициях на территории Сибири, российского Дальнего Востока, Дагестана, Узбекистана, Кыргызстана, Казахстана, Азербайджана, Вьетнама, Монголии, Кореи, Китая, Японии, Ирана, Черногории. Экспедициями под его руководством открыты и исследованы десятки археологических объектов Северной, Центральной и Восточной Азии, ставшие эталонными памятниками различных эпох и культур в хронологическим диапазоне от каменного до железного века.