Cornell, uma universidade de pesquisa, produz o quarto maior número de graduados do mundo que vão fazer doutorado em engenharia ou em ciências naturais em instituições americanas. É também o quinto no mundo a produzir graduados que buscam o doutorado em instituições americanas em qualquer área. A pesquisa é um elemento central da missão de Cornell. Em 2009, Cornell gastou US$ 671 milhões em pesquisa e desenvolvimento nas áreas de ciência e engenharia. Isto faz dela a 16ª maior nos Estados Unidos.
Para o ano fiscal de 2004-05, a universidade gastou $561,3 milhões em pesquisa. Das unidades de Cornell, o maior montante deste financiamento foi para as faculdades de Medicina ($164,2 milhões), Agricultura e Ciências da Vida ($114,5 milhões), Artes e Ciências ($80,3 milhões), e Engenharia ($64,8 milhões). O dinheiro vem em grande parte de fontes federais, com investimento federal de $381,0 milhões. As agências federais que investem mais dinheiro são o Departamento de Saúde e Serviços Humanos e a National Science Foundation que compõem, respectivamente, 51,4% e 30,7% de todo o investimento federal na universidade. Cornell estava no topo da lista das dez universidades americanas que mais patentes receberam em 2003, e foi uma das cinco principais instituições do país na formação de empresas iniciantes. Em 2004-05, Cornell recebeu 200 divulgações de invenções, apresentou 203 pedidos de patente nos EUA, completou 77 acordos de licença comercial e distribuiu royalties de mais de US$ 4,1 milhões para as unidades e inventores de Cornell.
Desde 1962, Cornell tem estado envolvida em missões não tripuladas a Marte. No século XXI, Cornell participou da Missão de Exploração Rover em Marte. Steve Squyres, Investigador Principal da Athena Science Payload, de Cornell, liderou a seleção das zonas de desembarque e solicitou recursos de coleta de dados para o Spirit e o Opportunity rovers. Os engenheiros do Jet Propulsion Laboratory atenderam a essas solicitações e projetaram os rovers para atendê-las. Os rovers, ambos operando há muito tempo além de suas expectativas de vida originais, são responsáveis pelas descobertas que foram premiadas pela Ciência com as honrarias de 2004 Breakthrough of the Year. O controle dos rovers rovers se deslocou entre o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA na Caltech e o Edifício Cornell's Space Sciences. Além disso, os pesquisadores da Cornell descobriram os anéis ao redor do planeta Urano. Além disso, Cornell construiu e operou o maior e mais sensível radiotelescópio do mundo em Arecibo, Porto Rico.
Em 1952, John O. Moore no Laboratório Aeronáutico Cornell iniciou o projeto Automotive Crash Injury Research. (Em 1972, o laboratório foi separado da Universidade como Calspan Corporation.) Foi pioneiro no uso de testes de colisão, originalmente usando cadáveres em vez de manequins. O projeto descobriu que fechaduras de portas melhoradas, volantes com absorção de energia, painéis de instrumentos almofadados e cintos de segurança poderiam evitar uma porcentagem extraordinária de ferimentos. O projeto levou a Liberty Mutual a financiar a construção de uma demonstração do Cornell Safety Car em 1956, que recebeu publicidade nacional e influenciou os fabricantes de automóveis. Os fabricantes de automóveis logo iniciaram seus próprios laboratórios de testes de colisão e gradualmente adotaram muitas das inovações da Cornell. Outras idéias, como assentos de passageiros voltados para trás, nunca foram favorecidas pelos fabricantes de automóveis ou pelo público. []
Em 1984, a National Science Foundation começou a trabalhar no estabelecimento de cinco novos centros supercomputadores, incluindo o Cornell Center for Advanced Computing, para fornecer recursos computacionais de alta velocidade para pesquisas dentro dos Estados Unidos. Em 1985, uma equipe do Centro Nacional de Aplicações de Supercomputação iniciou o desenvolvimento da NSFNet, uma rede de computadores baseada em TCP/IP que podia se conectar à ARPANET, no Cornell Center for Advanced Computing e na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Esta rede de alta velocidade, sem restrições aos usuários acadêmicos, tornou-se um backbone ao qual as redes regionais seriam conectadas. Inicialmente uma rede de 56 kbit/s, o tráfego na rede cresceu exponencialmente; as ligações foram atualizadas para T1s de 1,5 Mbit/s em 1988 e para 45 Mbit/s em 1991. A NSFNet foi um marco importante no desenvolvimento da Internet e seu rápido crescimento coincidiu com o desenvolvimento da World Wide Web.
Os cientistas da Cornell pesquisaram as partículas fundamentais da natureza por mais de 70 anos. Os físicos de Cornell, como Hans Bethe, contribuíram não apenas para as bases da física nuclear, mas também participaram do Projeto Manhattan. Na década de 1930, Cornell construiu o segundo ciclotron nos Estados Unidos. Nos anos 50, os físicos de Cornell se tornaram os primeiros a estudar a radiação sincrotrônica. Durante a década de 1990, o Anel de Armazenamento de Elétrons Cornell, abaixo do Campo de Alumni, foi o colisor de elétron-positrons de maior luminosidade do mundo. Depois de construir o sincrotron na Cornell, Robert R. Wilson tirou uma licença para se tornar o diretor fundador da Fermilab, que envolveu o projeto e a construção do Tevatron, o maior acelerador dos Estados Unidos. O acelerador Cornell e os grupos de física de alta energia estão envolvidos no projeto do Colisor Linear Internacional proposto e planejam participar de sua construção e operação. O Colisor Linear Internacional, a ser concluído no final dos anos 2010, complementará o Grande Colisor de Hadron e lançará luz sobre questões como a identidade da matéria escura e a existência de dimensões extras.
Na área de humanidades e ciências sociais, Cornell é mais conhecida por ser um dos maiores centros mundiais de estudo do Sudeste Asiático. O Programa Sudeste Asiático (SEAP) em Cornell é designado como um Centro Nacional de Recursos (NRC) pelo Departamento de Educação dos Estados Unidos 2010-2014. Portanto, o SEAP é nacionalmente proeminente na promoção de treinamento avançado em línguas estrangeiras, área e conhecimento internacional nas artes liberais e disciplina aplicada focada no Sudeste Asiático. O Centro George McTurnan Kahin para Pesquisa Avançada no Sudeste Asiático está na histórica "Casa Treman". O Centro George McTurnan Kahin abriga estudantes graduados da SEAP, bolsistas e bolsistas visitantes, membros do corpo docente, e os escritórios de Publicações e Divulgação da SEAP.
