Cornellova výskumná univerzita produkuje štvrtý najväčší počet absolventov na svete, ktorí pokračujú v doktorandskom štúdiu technických alebo prírodných vied na amerických inštitúciách. Je tiež na piatom mieste na svete v počte absolventov, ktorí pokračujú v doktorandskom štúdiu na amerických inštitúciách v akejkoľvek oblasti. Výskum je ústredným prvkom poslania Cornellovej univerzity. V roku 2009 Cornell vynaložil na vedecký a technický výskum a vývoj 671 miliónov dolárov. EUR, čo predstavuje 16. najvyššie výdavky v Spojených štátoch.
V rozpočtovom roku 2004-05 vynaložila univerzita na výskum 561,3 milióna dolárov. Z Cornellových jednotiek išlo najviac finančných prostriedkov na lekárske fakulty (164,2 milióna USD), poľnohospodárstvo a prírodné vedy (114,5 milióna USD), umenie a vedy (80,3 milióna USD) a inžinierstvo (64,8 milióna USD). Peniaze pochádzajú prevažne z federálnych zdrojov, pričom federálne investície dosiahli 381,0 milióna USD. Najviac peňazí investujú federálne agentúry: Ministerstvo zdravotníctva a sociálnych služieb a Národná vedecká nadácia, ktoré tvoria 51,4 %, resp. 30,7 % všetkých federálnych investícií do univerzity. Cornell bol v roku 2003 v prvej desiatke amerických univerzít, ktoré získali najviac patentov, a patril medzi päť najlepších inštitúcií v krajine pri zakladaní nových spoločností. V rokoch 2004 - 2005 Cornell prijal 200 zverejnení vynálezov, podal 203 amerických patentových prihlášok, uzavrel 77 komerčných licenčných zmlúv a rozdelil licenčné poplatky vo výške viac ako 4,1 milióna dolárov jednotkám a vynálezcom Cornellu.
Od roku 1962 sa Cornell podieľa na misiách na Mars bez posádky. V 21. storočí sa Cornell podieľal na misii Mars Exploration Rover. Steve Squyres z Cornellovej univerzity, hlavný výskumník pre vedecký náklad Athena, viedol výber pristávacích zón a požadovaných prvkov na zber údajov pre rovery Spirit a Opportunity. Inžinieri z Jet Propulsion Laboratory tieto požiadavky prijali a navrhli rovery tak, aby ich spĺňali. Oba rovery, ktoré fungovali dlho po uplynutí ich pôvodnej životnosti, sú zodpovedné za objavy, ktoré boli ocenené vedeckou cenou Breakthrough of the Year 2004. Riadenie marsovských roverov sa presunulo medzi Laboratórium prúdového pohonu NASA na Caltechu a Cornellovu budovu vesmírnych vied. Ďalej cornellskí výskumníci objavili prstence okolo planéty Urán. Cornell tiež postavil a prevádzkoval najväčší a najcitlivejší rádioteleskop na svete v Arecibe v Portoriku.
V roku 1952 začal John O. Moore v Cornellovom leteckom laboratóriu projekt výskumu zranení pri automobilových nehodách. (V roku 1972 sa laboratórium oddelilo od univerzity ako Calspan Corporation.) Bolo priekopníkom v používaní crash testov, pričom pôvodne sa namiesto figurín používali mŕtvoly. V rámci projektu sa zistilo, že vylepšené zámky dverí, volanty pohlcujúce energiu, polstrované prístrojové dosky a bezpečnostné pásy môžu zabrániť mimoriadnemu percentu zranení. Projekt viedol spoločnosť Liberty Mutual k financovaniu stavby demonštračného vozidla Cornell Safety Car v roku 1956, ktoré získalo celoštátnu publicitu a ovplyvnilo výrobcov automobilov. Výrobcovia automobilov čoskoro založili vlastné laboratóriá na crash testy a postupne prijali mnohé z Cornellových inovácií. Iné nápady, ako napríklad sedadlá pre cestujúcich umiestnené proti smeru jazdy, si nikdy nenašli priazeň výrobcov automobilov ani verejnosti. []
V roku 1984 začala Národná vedecká nadácia pracovať na zriadení piatich nových superpočítačových centier, vrátane Cornellovho centra pre pokročilé výpočty, s cieľom poskytnúť vysokorýchlostné výpočtové zdroje pre výskum v Spojených štátoch. V roku 1985 začal tím Národného centra pre superpočítačové aplikácie v Cornellovom centre pre pokročilé výpočty a na Univerzite Illinois v Urbana-Champaign vyvíjať NSFNet, počítačovú sieť založenú na protokole TCP/IP, ktorá by sa mohla pripojiť k sieti ARPANET. Táto vysokorýchlostná sieť, neobmedzená na akademických používateľov, sa stala chrbticou, ku ktorej sa budú pripájať regionálne siete. Spočiatku išlo o sieť s rýchlosťou 56 kbit/s, ale prevádzka v sieti exponenciálne rástla; v roku 1988 boli linky modernizované na 1,5 Mbit/s T1 a v roku 1991 na 45 Mbit/s. Sieť NSFNet bola významným míľnikom vo vývoji internetu a jej rýchly rast sa zhodoval s rozvojom World Wide Webu.
Vedci z Cornellovej univerzity skúmajú základné častice prírody už viac ako 70 rokov. Cornellskí fyzici, ako napríklad Hans Bethe, prispeli nielen k základom jadrovej fyziky, ale podieľali sa aj na projekte Manhattan. V 30. rokoch 20. storočia Cornell postavil druhý cyklotrón v Spojených štátoch. V 50. rokoch 20. storočia začali cornellskí fyzici ako prví skúmať synchrotrónové žiarenie. V 90. rokoch 20. storočia bol Cornellov prstenec na ukladanie elektrónov, ktorý sa nachádza pod Alumni Field, elektrónovo-pozitrónovým urýchľovačom s najvyššou svietivosťou na svete. Po vybudovaní synchrotrónu na Cornellovej univerzite si Robert R. Wilson zobral dovolenku, aby sa stal zakladajúcim riaditeľom Fermilabu, čo zahŕňalo návrh a vybudovanie Tevatronu, najväčšieho urýchľovača v Spojených štátoch. Cornellove skupiny pre urýchľovače a fyziku vysokých energií sa podieľajú na návrhu navrhovaného Medzinárodného lineárneho urýchľovača a plánujú sa podieľať na jeho výstavbe a prevádzke. Medzinárodný lineárny urýchľovač, ktorý má byť dokončený koncom roka 2010, doplní Veľký hadrónový urýchľovač a objasní otázky, ako je identita tmavej hmoty a existencia ďalších rozmerov.
V oblasti humanitných a spoločenských vied je Cornellova univerzita známa predovšetkým ako jedno z najväčších svetových centier pre štúdium juhovýchodnej Ázie. Program pre juhovýchodnú Áziu (SEAP) na Cornellovej univerzite je ministerstvom školstva Spojených štátov amerických označený za Národné zdrojové centrum (NRC) na roky 2010 - 2014. SEAP je preto na národnej úrovni významný v podpore pokročilého vzdelávania v cudzích jazykoch, oblasti a medzinárodných poznatkov v humanitných a aplikovaných disciplínach zameraných na juhovýchodnú Áziu. Centrum Georgea McTurnana Kahina pre pokročilý výskum juhovýchodnej Ázie sídli v historickom "Tremanovom dome". V Centre Georgea McTurnana Kahina sídlia postgraduálni študenti SEAP, hosťujúci štipendisti a vedeckí pracovníci, členovia fakulty a kancelárie SEAP pre publikácie a informačné aktivity.
