Многоэтажность и сложность знаковых систем и вызвали рождение семиотики. Виды знаков, взаимоотношение их между собою, способы понимания и истолкования — таков предмет семиотики. Широкие культурологические интересы Ю. М. естественно привели его к семиотическим разработкам различных проблем. Самые ранние его труды в этой области — тартуские публикации 1964 г. «Игра как семиотическая проблема и ее отношение к природе искусства» и «Проблема знака в искусстве», а наиболее обстоятельные исследования — «О метаязыке типологических описаний культуры» (Варшава, 1968) и «Семиотика кино и проблемы киноэстетики» (Таллинн, 1973).

Еще более интенсивными и разнообразными были структуралистские труды Ю. М. Собственно говоря, структурализм можно рассматривать как часть семиотики: раздел семиотики под названием «синтактика» изучает соотношение знаков между собою, их системы и уровни, — а это и есть предмет структурализма. Данная наука тоже возникла перед Второй мировой войной в Западной Европе (работы лингвистов кн. Н. С. Трубецкого, Р. О. Якобсона, Л. Ельмслева), но особенно бурно развилась в послевоенное время: главным стимулом здесь было появление электронно-вычислительной техники и проектов машинного перевода с одного языка на другой, необходимость, следовательно, создания математической лингвистики. Структуралистские методы стали затем широко использовать и представители других гуманитарных наук: этнологи, психологи, культурологи, историки, искусствоведы. Ю. М. явился одним из создателей литературоведческого структурализма. Он взял основные методологические и методические предпосылки лингвистических новаторов: разделение изучаемого текста на два «плана» (содержание и выражение), а планов — на систему «уровней» (в плане выражения: синтаксический, морфологический, фонетический; в стихотворениях еще учитываются ритмика и строфика); в пределах одного уровня — четкое разделение («сегментация») на соотносящиеся и противостоящие друг другу элементы; исследование структуры текста в двух аспектах: синтагматическом (реальная последовательность элементов и их соотношение) и парадигматическом (типология элементов; нахождение к вариативным элементам «инвариантов»).

Однако Ю. М. уже в ранней своей программной статье «О разграничении лингвистического и литературоведческого понятия структуры» («Вопросы языкознания», 1963, № 3) подчеркнул своеобразие: лингвист оперирует планом выражения формально, отвлекаясь от плана содержания, а литературовед и в плане выражения обнаруживает содержательные сферы (грамматический род — мужской или женский — при некоторых образах может иметь глубокий содержательный подтекст, звуковые конфигурации часто тесно связаны со смыслом, некоторые ритмы имеют содержательные ассоциации и т. д.). В основных своих структуралистских книгах: «Лекции по структуральной поэтике. Вып. 1. Введение, теория стиха» (Тарту, 1964), «Структура художественного текста» (Москва, 1970), в упомянутом выше «Анализе поэтического текста» автор подробно развивает свои идеи и показывает их плодотворность при анализе конкретных произведений.