Cornell, een onderzoeksuniversiteit, produceert het op drie na grootste aantal afgestudeerden ter wereld die een doctoraat in de ingenieurswetenschappen of de natuurwetenschappen aan Amerikaanse instellingen nastreven. Het is ook de vijfde in de wereld in het produceren van afgestudeerden die promoveren aan Amerikaanse instellingen op welk gebied dan ook. Onderzoek is een centraal onderdeel van Cornell's missie. In 2009 besteedde Cornell 671 miljoen dollar aan onderzoek en ontwikkeling op het gebied van wetenschap en techniek. Dit maakt het de 16e plaats in de Verenigde Staten.
Voor het boekjaar 2004-05 besteedde de universiteit 561,3 miljoen dollar aan onderzoek. Van Cornell's eenheden ging het grootste bedrag naar de hogescholen van Geneeskunde ($164.2 miljoen), Landbouw en Levenswetenschappen ($114.5 miljoen), Kunst en Wetenschappen ($80.3 miljoen), en Techniek ($64.8 miljoen). Het geld komt grotendeels uit federale bronnen, met een federale investering van $381.0 miljoen. De federale agentschappen die het meeste geld investeren zijn het Department of Health and Human Services en de National Science Foundation die respectievelijk 51,4% en 30,7% van alle federale investeringen in de universiteit uitmaken. Cornell stond op de top-tien lijst van Amerikaanse universiteiten die in 2003 de meeste octrooien ontvingen, en was een van de top vijf instellingen van de natie in het vormen van startende bedrijven. In 2004-05 ontving Cornell 200 onthullingen over uitvindingen, diende 203 octrooiaanvragen in bij de VS, voltooide 77 commerciële licentieovereenkomsten en verdeelde royalty's van meer dan $4,1 miljoen aan Cornell-eenheden en -uitvinders.
Sinds 1962 is Cornell betrokken bij onbemande missies naar Mars. In de 21e eeuw had Cornell de hand in de Mars Exploration Rover Missie. Cornell's Steve Squyres, Principal Investigator voor de Athena Science Payload, leidde de selectie van de landingszones en vroeg om gegevensverzamelingsfuncties voor de Spirit en Opportunity rovers. De ingenieurs van het Jet Propulsion Laboratory namen deze verzoeken aan en ontwierpen de rovers om aan deze verzoeken te voldoen. De rovers, die allebei hun oorspronkelijke levensverwachting al lang achter zich hebben gelaten, zijn verantwoordelijk voor de ontdekkingen die in 2004 door de wetenschap werden bekroond als eerbetoon aan de doorbraak van het jaar. De controle over de Marsrovers is verschoven tussen het Jet Propulsion Laboratory van de NASA in Caltech en Cornell's Space Sciences Building. Verder ontdekten Cornell onderzoekers de ringen rond de planeet Uranus. Ook heeft Cornell de grootste en meest gevoelige radiotelescoop ter wereld in Arecibo, Puerto Rico, gebouwd en geëxploiteerd.
In 1952 begon John O. Moore van het Cornell Aeronautical Laboratory met het Automotive Crash Injury Research project. (In 1972 werd het laboratorium afgescheiden van de universiteit als Calspan Corporation.) Het was een pionier op het gebied van crashtests, waarbij oorspronkelijk gebruik werd gemaakt van lijken in plaats van dummies. Het project ontdekte dat verbeterde deurvergrendelingen, energieabsorberende stuurwielen, gewatteerde dashboards en veiligheidsgordels een buitengewoon percentage van de verwondingen konden voorkomen. Het project bracht Liberty Mutual ertoe om de bouw van een demonstratie Cornell Safety Car in 1956 te financieren, die nationale publiciteit kreeg en de autofabrikanten beïnvloedde. De autofabrikanten begonnen al snel hun eigen crash-testlaboratoria en namen geleidelijk aan veel van de Cornell innovaties over. Andere ideeën, zoals achterwaarts gerichte passagierszetels, hebben nooit een gunst gevonden bij de autofabrikanten of het publiek. []
In 1984 begon de National Science Foundation te werken aan de oprichting van vijf nieuwe supercomputercentra, waaronder het Cornell Center for Advanced Computing, om hogesnelheidscomputers te leveren voor onderzoek binnen de Verenigde Staten. In 1985 begon een team van het National Center for Supercomputing Applications met de ontwikkeling van NSFNet, een op TCP/IP gebaseerd computernetwerk dat verbinding kon maken met het ARPANET, in het Cornell Center for Advanced Computing en de University of Illinois in Urbana-Champaign. Dit hogesnelheidsnetwerk, zonder beperkingen voor academische gebruikers, werd een ruggengraat waarop regionale netwerken zouden worden aangesloten. Aanvankelijk een 56-kbit/s netwerk, groeide het verkeer op het netwerk exponentieel; de verbindingen werden geüpgraded naar 1,5 Mbit/s T1's in 1988 en naar 45 Mbit/s in 1991. Het NSFNet was een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van het internet en de snelle groei ervan viel samen met de ontwikkeling van het World Wide Web.
Cornell-wetenschappers doen al meer dan 70 jaar onderzoek naar de fundamentele deeltjes van de natuur. Cornell-fysici, zoals Hans Bethe, hebben niet alleen bijgedragen aan de fundamenten van de kernfysica, maar hebben ook deelgenomen aan het Manhattan-project. In de jaren dertig van de vorige eeuw bouwde Cornell de tweede cyclotron in de Verenigde Staten. In de jaren vijftig werden de Cornell-fysici de eerste die synchrotronstraling bestudeerden. In de jaren negentig was de Cornell Electron Storage Ring, onder het Alumni Field, 's werelds hoogste lichtsterkte elektronen-positron botser. Na de bouw van de synchrotron bij Cornell nam Robert R. Wilson verlof op om de stichtende directeur van Fermilab te worden, die de Tevatron, de grootste versneller in de Verenigde Staten, ontwierp en bouwde. Cornell's versneller en hoge-energiefysica groepen zijn betrokken bij het ontwerp van de voorgestelde International Linear Collider en zijn van plan om deel te nemen aan de bouw en exploitatie ervan. De International Linear Collider, die eind 2010 wordt voltooid, zal de Large Hadron Collider aanvullen en licht werpen op vragen als de identiteit van donkere materie en het bestaan van extra dimensies.
Op het gebied van de geesteswetenschappen en sociale wetenschappen is Cornell vooral bekend als een van 's werelds grootste centra voor de studie van Zuidoost-Azië. Het Southeast Asia Program (SEAP) in Cornell is door het Amerikaanse Ministerie van Onderwijs 2010-2014 aangewezen als National Resource Center (NRC). Daarom is het SEAP nationaal prominent aanwezig in het bevorderen van geavanceerde trainingen in vreemde talen, gebieds- en internationale kennis in de liberale kunsten en toegepaste discipline gericht op Zuidoost-Azië. Het George McTurnan Kahin Center for Advanced Research on Southeast Asia is gevestigd in het historische "Treman House". Het George McTurnan Kahin Center is de thuisbasis van SEAP afgestudeerde studenten, bezoekende wetenschappers, faculteitsleden en SEAP's Publication and Outreach kantoren.
