کتاب تاریخ ایران باستان (در سه جلد) کتابی است که به شیوه علمی و بر اساس مستندات و کشفیات باستان‌شناسی درباره گذشته تاریخی ایران نگاشته شد و هنوز هم مورد توجه است. این کتاب تنها به تاریخ ایران اختصاص ندراد، بلکه دایره‌المعارفی است در باب تاریخ و تمدن و فرهنگ گذشته ممالک مهم دنیا به ویژه یونان، روم، سوریه، مصر، عربستان، میان‌رود، هند و... چنان که هنگام مطالعه این اثر تنها با تاریخ و سرگذشت سلسله‌های ایرانی ماد، هخامنشی،اشکانی و سلسله یونانی سلوکی آشنا نمی‌شویم، بلکه در زمینه تاریخ خاورمیانه امروز و یونان باستان اطلاعات دست اول خواهیم یافت.
منابع عمده پیرنیا کتاب‌های فرانسوی، انگلیسی، روسی و آلمانی هستند که ترجمه‌ای از منابع یونانی و رومی محسوب می‌شوند. وی از منابع عربی و فارسی هم در سطح گسترده‌ای استفاده کرده است. وی ابتدا مطالب مورخان باستانی را در زمینه یک مطلب و رویداد تاریخی می‌آورد، سپس در یک جمع‌بندی به تجزیه و تحلیل آن‌ها می‌پردازد و نقطه قوت تاریخ‌نگاری پیرنیا در همین قسمت دیده می‌شود.
به عنوان نمونه درباره به قدرت رسیدن کوروش هخامنشی نوشته‌های هرودت، گزنفون، کتزیاس، دیودو سیسلی و ژوستن را می‌آورد و در کنار مطالب منابع اسلامی و لوح نبونبد قرار می‌دهد و به یک نتیجه‌گیری کلی می‌رسد. آنگاه در زمینه خویشاوندی کوروش با شاه ماد می‌نویسد: «عقیده کتزیاس که اصلاً کوروش با آستیاگ قرابتی نداشته [است]، صحیح نیست؛ زیرا هرودوت و دیگر مورخان او را نوه آستیاگ دانسته‌اند و نوشته‌های هرودت بیشتر مورد اعتماد است.»