Cornell, ett forskningsuniversitet, har det fjärde största antalet studenter i världen som tar doktorsexamen i teknik eller naturvetenskap vid amerikanska institutioner. Det är också femte i världen när det gäller att producera akademiker som doktorerar vid amerikanska institutioner inom alla områden. Forskning är en central del av Cornells uppdrag. År 2009 spenderade Cornell 671 miljoner dollar på vetenskaplig och teknisk forskning och utveckling. Detta gör det till den 16:e högsta siffran i USA.
Under räkenskapsåret 2004-2005 spenderade universitetet 561,3 miljoner dollar på forskning. Av Cornells enheter gick den största delen av denna finansiering till college för medicin (164,2 miljoner dollar), jordbruk och biovetenskap (114,5 miljoner dollar), konst och vetenskap (80,3 miljoner dollar) och teknik (64,8 miljoner dollar). Pengarna kommer till stor del från federala källor, med federala investeringar på 381,0 miljoner dollar. De federala organ som investerar mest pengar är Department of Health and Human Services och National Science Foundation som står för 51,4 % respektive 30,7 % av alla federala investeringar i universitetet. Cornell fanns med på topp tio-listan över de amerikanska universitet som fick flest patent 2003 och var en av landets fem främsta institutioner när det gäller att bilda nystartade företag. Under 2004-2005 mottog Cornell 200 uppgiftslämningar om uppfinningar, lämnade in 203 amerikanska patentansökningar, ingick 77 kommersiella licensavtal och delade ut royalties på mer än 4,1 miljoner dollar till Cornell-enheter och uppfinnare.
Sedan 1962 har Cornell deltagit i obemannade uppdrag till Mars. På 2000-talet var Cornell delaktigt i Mars Exploration Rover Mission. Steve Squyres från Cornell, huvudansvarig för Athena Science Payload, ledde valet av landningszoner och begärde datainsamlingsfunktioner för Spirit- och Opportunity-rovers. Ingenjörer vid Jet Propulsion Laboratory tog emot dessa önskemål och utformade roverna för att uppfylla dem. Roverna, som båda har varit i drift långt efter sin ursprungliga förväntade livslängd, är ansvariga för de upptäckter som 2004 tilldelades utmärkelsen Årets genombrott av Science. Kontrollen av Marsroverna har skiftat mellan NASA:s Jet Propulsion Laboratory vid Caltech och Cornells Space Sciences Building. Vidare upptäckte Cornellforskare ringarna runt planeten Uranus. Cornell byggde och drev också världens största och känsligaste radioteleskop i Arecibo, Puerto Rico.
1952 inledde John O. Moore vid Cornell Aeronautical Laboratory projektet Automotive Crash Injury Injury Research. (1972 avskiljdes laboratoriet från universitetet som Calspan Corporation.) Det var en pionjär inom krocktester, där man ursprungligen använde lik istället för attrappor. Projektet upptäckte att förbättrade dörrlås, energiabsorberande rattar, vadderade instrumentpaneler och säkerhetsbälten kunde förhindra en utomordentlig andel skador. Projektet ledde till att Liberty Mutual finansierade byggandet av en demonstrationsbil från Cornell Safety Car 1956, som fick nationell publicitet och påverkade biltillverkarna. Biltillverkarna startade snart sina egna krocktestlaboratorier och antog gradvis många av Cornells innovationer. Andra idéer, t.ex. bakåtvända passagerarsäten, fick aldrig gehör hos biltillverkare eller allmänheten. []
År 1984 började National Science Foundation arbeta för att inrätta fem nya superdatorcentra, däribland Cornell Center for Advanced Computing, för att tillhandahålla höghastighetsdatorer för forskning i USA. År 1985 påbörjade en grupp från National Center for Supercomputing Applications utvecklingen av NSFNet, ett TCP/IP-baserat datornätverk som skulle kunna anslutas till ARPANET, vid Cornell Center for Advanced Computing och University of Illinois at Urbana-Champaign. Detta höghastighetsnätverk, som inte var begränsat för akademiska användare, blev en ryggrad till vilken regionala nätverk skulle anslutas. Trafiken på nätet, som till en början var ett 56 kbit/s-nät, växte exponentiellt. Länkarna uppgraderades till T1-ledningar med 1,5 Mbit/s 1988 och till 45 Mbit/s 1991. NSFNet var en viktig milstolpe i utvecklingen av Internet och dess snabba tillväxt sammanföll med utvecklingen av World Wide Web.
Forskare från Cornell har forskat om naturens grundläggande partiklar i mer än 70 år. Fysiker från Cornell, som Hans Bethe, bidrog inte bara till kärnfysikens grunder utan deltog också i Manhattanprojektet. På 1930-talet byggde Cornell den andra cyklotronen i USA. På 1950-talet blev Cornell-fysikerna de första att studera synkrotronstrålning. Under 1990-talet var Cornell Electron Storage Ring, under Alumni Field, världens elektron-positronkollider med högst ljusstyrka. Efter att ha byggt synkrotronen på Cornell tog Robert R. Wilson tjänstledigt för att bli grundande direktör för Fermilab, vilket innebar att utforma och bygga Tevatron, den största acceleratorn i USA. Cornells grupper för acceleratorer och högenergifysik deltar i utformningen av den föreslagna internationella linjära kollideraren och planerar att delta i dess konstruktion och drift. Den internationella linjära kollidatorn, som ska vara klar i slutet av 2010-talet, kommer att komplettera Large Hadron Collider och belysa frågor som t.ex. den mörka materiens identitet och existensen av extra dimensioner.
Inom humaniora och samhällsvetenskap är Cornell mest känt för att vara ett av världens främsta centra för studier av Sydostasien. Southeast Asia Program (SEAP) vid Cornell har utsetts till ett nationellt resurscentrum (NRC) av Förenta staternas utbildningsdepartement 2010-2014. Därför är SEAP nationellt framstående när det gäller att främja avancerad utbildning i främmande språk, områdeskunskap och internationell kunskap inom de fria konsterna och tillämpad disciplin med fokus på Sydostasien. George McTurnan Kahin Center for Advanced Research on Southeast Asia ligger i det historiska "Treman House". George McTurnan Kahin Center är hemvist för SEAP:s doktorander, gästforskare och stipendiater, fakultetsmedlemmar och SEAP:s publikations- och utåtriktade kontor.
