康奈尔大学是一所研究型大学，它培养的毕业生在美国院校攻读工程或自然科学博士学位的人数居世界第四位。在培养在美国院校攻读任何领域博士学位的毕业生方面，康奈尔大学也位居世界第五。研究是康奈尔大学使命的核心要素。2009年，康奈尔在科学和工程研究与开发方面的支出为6.71亿美元。这使得它在美国排名第16位。
在2004-05财政年度，该大学在研究方面的支出为5.613亿美元。在康奈尔的各单位中，其中最多的是医药学院（1.642亿美元）、农业和生命科学学院（1.145亿美元）、文理学院（8030万美元）和工程学院（6480万美元）。这些资金主要来自联邦，联邦投资3.81亿美元。投入资金最多的联邦机构是卫生与公众服务部和国家科学基金会，它们分别占联邦对大学投资总额的51.4%和30.7%。2003年，康奈尔大学位列美国大学获得专利最多的前十名，是全美组建创业公司最多的五所机构之一。2004-05年，康奈尔大学收到了200项发明披露，提交了203项美国专利申请，完成了77项商业许可协议，并向康奈尔大学的单位和发明人分配了410多万美元的使用费。
自1962年以来，康奈尔大学一直参与火星无人任务。在21世纪，康奈尔参与了火星探测车任务。康奈尔大学的Steve Squyres是雅典娜科学有效载荷的首席研究员，他领导了着陆区的选择，并要求为"精神"号和"机遇"号漫游车设计数据收集功能。喷气推进实验室的工程师们接受了这些要求，并设计出满足这些要求的漫游车。这两辆火星车的运行时间都超过了它们原来的预期寿命，它们的发现被《科学》杂志授予2004年年度突破的荣誉。火星车的控制权已在美国宇航局位于加州理工学院的喷气推进实验室和康奈尔大学的空间科学大楼之间转移。此外，康奈尔大学的研究人员还发现了天王星周围的环。此外，康奈尔还在波多黎各的阿雷西博建造并运行了世界上最大和最灵敏的射电望远镜。
1952年，康奈尔航空实验室的John O. Moore开始了汽车碰撞伤害研究项目。(1972年，实验室从大学分离出来，成为Calspan公司。)它开创了使用碰撞测试的先河，最初使用的是尸体而不是假人。该项目发现，改进的门锁、吸能方向盘、加垫的仪表板和安全带可以防止非常比例的伤害。该项目促使Liberty Mutual公司在1956年出资建造了一辆示范性的康奈尔安全车，该车得到了全国性的宣传，并影响了汽车制造商。汽车制造商很快建立了自己的碰撞测试实验室，并逐渐采用了许多康奈尔的创新技术。其他的想法，如面向后方的乘客座椅，从未得到汽车制造商或公众的青睐。[]
1984年，美国国家科学基金会开始着手建立包括康奈尔高级计算中心在内的五个新的超级计算机中心，为美国国内的研究提供高速计算资源。1985年，国家超级计算应用中心的一个团队开始在康奈尔高级计算中心和伊利诺伊大学香槟分校开发NSFNet，这是一个基于TCP/IP的计算机网络，可以连接到ARPANET。这个不限制学术用户使用的高速网络，成为连接区域网络的主干网。最初是56kb/s的网络，网络上的流量成倍增长；1988年，链路升级到1.5 Mbit/s的T1，1991年升级到45 Mbit/s。NSFNet是互联网发展的一个重要里程碑，它的快速增长与万维网的发展同步。
康奈尔大学的科学家们对自然界的基本粒子进行了70多年的研究。汉斯-贝特等康奈尔物理学家不仅为核物理学的基础做出了贡献，还参与了曼哈顿计划。20世纪30年代，康奈尔大学建造了美国第二个回旋加速器。20世纪50年代，康奈尔物理学家成为第一个研究同步辐射的人。20世纪90年代，校友会场下面的康奈尔电子存储环是世界上亮度最高的电子-正电子对撞机。在康奈尔建造完同步加速器后，罗伯特-R-威尔逊休假，成为费米实验室的创始主任，其中包括设计和建造美国最大的加速器Tevatron。康奈尔大学的加速器和高能物理小组参与了拟议中的国际直线对撞机的设计，并计划参与其建设和运行。国际直线对撞机将于2010年代末建成，它将补充大型强子对撞机的不足，并阐明暗物质的特性和额外维度的存在等问题。
在人文社会科学领域，康奈尔大学最著名的是它是世界上最伟大的东南亚研究中心之一。康奈尔大学东南亚项目（SEAP）被美国教育部指定为2010-2014年国家资源中心（NRC）。因此，SEAP在促进以东南亚为重点的文科和应用学科的高级外语培训、领域和国际知识方面，在全国范围内都很突出。乔治-麦克图南-卡欣东南亚高级研究中心位于历史悠久的"特雷曼大厦"内。乔治-麦克图南-卡欣中心是东南亚高级研究中心研究生、访问学者和学者、教师以及东南亚高级研究中心的出版和外联办公室的所在地。
