یکی از بارزترین ویژگی‌های خیام، تسلط بی‌نظیر او بر حوزه‌های مختلف دانش بود. او در زمانی می‌زیست که تخصص‌گرایی به معنای امروزی مطرح نبود، اما گستره‌ی دانش او چنان وسیع و عمیق بود که حتی در دوران معاصر نیز حیرت‌انگیز است. خیام در ریاضیات، نجوم، فلسفه، ادبیات، و حتی موسیقی صاحب‌نظر بود. او از معدود کسانی بود که توانستند هم در علوم دقیقه و هم در حوزه‌های انسانی به گونه‌ای فعالیت کنند که آثارشان تا امروز موضوع پژوهش باشد.
خیام نیشابوری در ریاضیات، به‌ویژه در جبر، نقشی بی‌بدیل دارد. او در کتاب «الجبروالمقابله» به طبقه‌بندی معادلات درجه دوم و سوم پرداخت و روشی هندسی برای حل برخی معادلات درجه سوم ارائه داد؛ چیزی که قرن‌ها بعد توسط دکارت و دیگر ریاضی‌دانان غربی توسعه یافت. آن‌چه خیام را متمایز می‌کند، درک عمیق او از مفهوم انتزاعی عدد و ساختارهای جبری است. وی یکی از نخستین متفکرانی بود که ایده‌هایی شبیه به مفاهیم مدرن ریاضیات را پایه‌گذاری کرد، بدون آن‌که ابزارهای محاسباتی امروز در اختیارش باشد.
در سال ۴۵۷ هجری شمسی، خیام مأمور شد تا به همراه گروهی از منجمان، تقویم ایران را اصلاح کند. نتیجه‌ی این کار، «تقویم جلالی» بود که با دقتی شگفت‌انگیز طراحی شد. این تقویم که تا امروز نیز پایه‌ی تقویم رسمی ایران است، تنها ۱ خطای یک‌روزه در هر ۵۰۰۰ سال دارد؛ یعنی بسیار دقیق‌تر از تقویم میلادی که یک روز خطا در هر ۳۳۳۰ سال دارد. این دستاورد نه‌تنها دانش وسیع خیام در نجوم را نشان می‌دهد، بلکه قدرت تحلیلی او در طراحی نظام‌های پیچیده زمانی را نیز آشکار می‌سازد.
برخلاف بسیاری از متفکران ایرانی که با عرفان و تصوف عجین بودند، خیام رویکردی عقل‌گرایانه و فلسفی به زندگی و جهان داشت. رباعیات او حاکی از تأملاتی عمیق درباره مفهوم زمان، مرگ، تقدیر، و معنای هستی است. در عین حال، خیام هیچ‌گاه به ورطه‌ی نیهیلیسم یا انکار معنویت نیفتاد. بلکه، او با زبانی شاعرانه و لحنی گاه طنزآمیز، پرسش‌هایی بنیادین را درباره‌ی سرنوشت انسان مطرح می‌کرد. به نوعی، خیام را می‌توان پیشرو تفکر اگزیستانسیالیستی در شرق دانست، قرن‌ها پیش از آن‌که فیلسوفان غربی چون کی‌یرکگور و سارتر از معنای هستی سخن بگویند.
خیام برخلاف فضای بسته‌ی زمانه‌اش، جرأت اندیشیدن مستقل داشت. او از کلیشه‌های دینی، سیاسی و اجتماعی فاصله گرفت و با نگاهی انتقادی، پرسش‌هایی اساسی درباره‌ی سرشت عالم و نقش انسان در آن مطرح کرد. این ویژگی، نه‌تنها در رباعیات بلکه در آثار علمی و فلسفی او نیز مشهود است. خیام هرگز در پی تأیید قدرت یا جلب رضایت دربار نبود؛ حتی زمانی که به دربار ملکشاه سلجوقی دعوت شد، همچنان نگاه انتقادی خود را حفظ کرد. این شجاعت در تفکر، از خیام چهره‌ای ساخت که مورد ستایش روشنفکران عصر روشنگری اروپا نیز قرار گرفت.
رباعی در ادبیات فارسی قالبی کوتاه و ظاهراً ساده است، اما خیام از این قالب محدود، ابزاری نیرومند برای بیان فلسفه ساخت. رباعیات او، علی‌رغم ایجازشان، دارای مفاهیمی عمیق، پیچیده و گاه متناقض‌اند. او با مهارتی بی‌نظیر توانست در چهار مصرع، جهان‌بینی‌ای منسجم و عمیق را منتقل کند. زبان ساده اما مفهومی خیام، باعث شده آثارش فراتر از مرزهای زبانی و زمانی، مخاطبان را جذب کند. ترجمه‌ی رباعیات توسط ادوارد فیتزجرالد در قرن نوزدهم، باعث شد خیام در جهان غرب به‌عنوان شاعری فلسفی و عمیق شناخته شود.
کمتر شاعری ایرانی به اندازه‌ی خیام، در سطح جهانی شناخته شده است. رباعیات او به بیش از پنجاه زبان ترجمه شده و تأثیر آن بر ادبیات، هنر، موسیقی و حتی فلسفه‌ی غرب مشهود است. از گوته تا بورخس، از فیتزجرالد تا تولستوی، همگی به نوعی از خیام الهام گرفته‌اند یا او را ستوده‌اند. این نفوذ فرهنگی، تنها ناشی از زیبایی شعری نیست، بلکه از قدرت تفکر جهانی و انسانی خیام ریشه می‌گیرد.
در دنیای امروز، که پرسش‌هایی درباره‌ی معنای زندگی، اضطراب وجودی، ترس از مرگ و میل به جاودانگی همچنان مطرح‌اند، اشعار و اندیشه‌های خیام، همچنان زنده و مرتبط‌اند. او با وجود آن‌که در قرن پنجم هجری می‌زیست، پرسش‌هایی را مطرح کرد که انسان قرن بیست‌ویکم نیز با آن‌ها درگیر است. این «زمان‌ناپذیری» اندیشه‌ها، شاید مهم‌ترین ویژگی منحصر به فرد خیام باشد.
خیام نیشابوری فقط شاعر یا دانشمند نبود؛ او آینه‌ای از تفکر مستقل، جست‌وجوی حقیقت، و شک در برابر مطلق‌گرایی بود. در دنیایی که نیاز به تعادل میان علم و انسانیت، بینش و تردید، و سنت و نوآوری بیش از پیش احساس می‌شود، خیام می‌تواند الهام‌بخش نسلی باشد که به‌دنبال پاسخ‌هایی نو در دنیایی پیچیده است. بی‌جهت نیست که صدای او پس از قرن‌ها، همچنان طنین‌انداز ذهن‌های بیدار است.