Такой широкий охват исследований, посвящённых различным сторонам жизни славян и местам их расселения, разнообразным аспектам их взаимодействия с другими этносами, помог учёному отточить его научный метод и аккумулировать огромное количество материалов о языке и истории славянских народов, позволил набрать опыт для главного дела его жизни, к которому он приступил в начале 1960-х годов. Речь идёт о подготовке и издании фундаментального многотомного труда – «Этимологического словаря славянских языков», в котором сделана попытка реконструировать праславянский (наиболее древний, общий для всех славян) лексический фонд, опираясь на материалы всех славянских языков (а их на сегодняшний день насчитывается 15). Нет необходимости говорить, что для такой работы обязательно не просто знакомство, а прекрасное знание этих языков, их настоящего и прошлого. Более 10 лет ушло на подготовительные работы – создание картотеки, разработку концепции словаря, теоретическое обоснование задач и методологии, выпуск пробных статей. В 1974 году вышел первый том этого издания, а сегодня на полках специалистов стоят уже 35 выпусков словаря. Вплоть до 13-го тома всю составительскую работу вёл один Олег Николаевич, лишь позднее к нему присоединились уже набравшие опыт сотрудники его отдела.
Словарь, реконструирующий праславянский лексический фонд и построенный на устных и письменных данных всех пятнадцати славянских языков (в их сравнении с неславянскими европейскими языками), должен дать картину происхождения славян, их прародины. Автор, задумавший этот труд, полагал вслед за словацким историком и филологом Павлом Шафариком (1795–1861), что прародиной славян был Средний Дунай. Но словарь не только определяет исходную точку и место пребывания в ней славян. Его данные позволяют проследить пути миграции славян, их сложение от племенных союзов до сегодняшних наций.
Словарь обычно долго питает науку, теоретическую мысль морем фактов, на которых выстраивается та или иная концепция. Нередко автор словаря после его окончания выпускает свою главную книгу, обобщающую словарные труды. Программа «Этимологического словаря славянских языков» была опубликована О.Н. Трубачёвым в 1960 г., первый его том вышел в 1974-м. По мере выхода следующих томов перед автором вырисовывалась картина этногенеза славян, и наконец первые наблюдения были обобщены Олегом Николаевичем в книге «Этногенез и культура древнейших славян», изданной в 1992 г. и сразу ставшей раритетом (тираж 1000 экз.). В сентябре 2002 г. на Международной книжной ярмарке в Москве было представлено значительно дополненное второе издание книги, вышедшей в издательстве «Наука» уже после кончины автора.
Корректуру Олег Николаевич читал в больнице. И только благодаря редакторам (Инге Борисовне Еськовой, Татьяне Митрофановне Скриповой, Алле Ивановне Кучинской) книга вышла в свет и экспонировалась на выставке. В конце книги страница, посвящённая тремя редакторами светлой памяти Олега Николаевича Трубачёва, хранит его последние слова. Они пишут: «Мы теперь уходим понемногу в ту страну, где тишь и благодать, – неожиданно вспоминает есенинские строки Олег Николаевич, задумчиво глядя на титульную страницу будущей книги. – Ушёл из жизни Никита Ильич Толстой, совсем недавно не стало Эдуарда Фёдоровича Володина… И всё же траурных рамок не надо: печаль наша светла». Эти слова были сказаны Олегом Николаевичем незадолго до кончины… Тогда, при обсуждении с ним материалов готовящейся к печати книги, свято верилось, что счастливый день выхода её в свет уже рядом и автор обязательно увидит свой труд. Мы спешили, и тем больнее осознавать, что не успели. Утрата горька и безмерна. Мы скорбим вместе со всеми, кто любил и понимал огромную значимость для русской науки этого мужественного человека и выдающегося учёного. Но пусть печаль наша будет светла».
Как пишет профессор И.Г. Добродомов (МПГУ) об этой книге, помимо связей славян с Дунаем и тезиса о раннем их присутствии в Центральной Европе в книге уделяется большое внимание как западным связям славян с их соседями (германцами, кельтами, италийцами), так и проблеме восточных связей, «в частности, связям с иранским языковым миром, отразившимся в славянской нарицательной лексике и топонимии… Это было обусловлено сопоставлениями исключительно на праязыковом уровне без учёта древней диалектной расчленённости и славянского и иранского языкового мира…».
Последующее углубление в историю иранства на юге России, следы которого сохранились особенно в топонимике, привело к появлению серии статей по истории лексики и топонимии языков Восточной Европы, в совокупности составивших целую книгу «Indoarica в Северном Причерноморье» (1999). В ней кратко суммируются итоги исследования старых и современных топонимов этого региона, объясняющихся на основе индийских языков как результат пребывания в Северном Причерноморье предков современных индийцев. Благодаря исследованию Олега Николаевича был открыт ещё один индоевропейский язык индоарийского характера, названный условно синдомеотским, что обогатило новыми материалами не только историю индоарийских языков, но и в первую очередь этническую историю региона в древности.