После адъюнктуры Нерсес Иванович Мелик-Пашаев оставлен в ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского на кафедре теории авиационных двигателей преподавателем.

Основным направлением его научных работ было исследование рабочего процесса и систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей и, в частности, экспериментальное исследование процесса теплопередачи при использовании в системах охлаждения ЖРД криогенных жидкостей при высоких сверхкритических давлениях.

За цикл исследований охлаждающих свойств криогенных компонентов топлив жидкостных ракетных двигателей Н. И. Мелик-Пашаеву в составе группы сотрудников кафедры теории авиационных двигателей академии в 1965 г. присуждена первая премия им. Н. Е. Жуковского.

Автор ряда научных публикаций и отчетов, соавтор 3 учебников и свыше 20 учебных пособий, в том числе 2 учебников по технической термодинамике и теплопередаче, по которым обучались слушатели и курсанты в академии и в других инженерных вузах ВВС в течение более 30 лет.

Награжден орденом Красной Звезды и несколькими медалями.