Cornell, uniwersytet badawczy, produkuje czwartą co do wielkości liczbę absolwentów na świecie, którzy kontynuują studia doktoranckie w dziedzinie inżynierii lub nauk przyrodniczych w instytucjach amerykańskich. Jest również piątym na świecie producentem absolwentów, którzy kontynuują studia doktoranckie w instytucjach amerykańskich w każdej dziedzinie. Badania naukowe są centralnym elementem misji Cornell. W 2009 roku Cornell wydała 671 milionów dolarów na naukę oraz badania i rozwój w dziedzinie inżynierii. To czyni go 16. najwyższym w Stanach Zjednoczonych.
W roku budżetowym 2004-05 uniwersytet wydał na badania 561,3 mln dolarów. Spośród jednostek Cornell najwięcej środków przeznaczono na uczelnie medyczne (164,2 mln dolarów), rolnictwo i nauki przyrodnicze (114,5 mln dolarów), sztuki i nauki (80,3 mln dolarów) oraz inżynierię (64,8 mln dolarów). Pieniądze pochodzą w dużej mierze ze źródeł federalnych, a inwestycje federalne wyniosły 381,0 mln dolarów. Agencje federalne, które inwestują najwięcej pieniędzy, to Departament Zdrowia i Usług Społecznych oraz Narodowa Fundacja Nauki, które stanowią odpowiednio 51,4% i 30,7% wszystkich federalnych inwestycji w uniwersytet. Cornell znalazła się na liście dziesięciu najlepszych amerykańskich uniwersytetów, które otrzymały najwięcej patentów w 2003 r. i była jedną z pięciu najlepszych instytucji w kraju w tworzeniu firm typu start-up. W latach 2004-05 Cornell otrzymała 200 ujawnionych wynalazków, złożyła 203 wnioski patentowe w USA, zrealizowała 77 umów licencyjnych i rozdzieliła opłaty licencyjne w wysokości ponad 4,1 mln USD na rzecz jednostek i wynalazców Cornell.
Od 1962 roku Cornell jest zaangażowany w bezzałogowe misje na Marsa. W XXI wieku Cornell brał udział w Mars Exploration Rover Mission. Steve Squyres z Cornell, główny badacz ładunku Athena Science, kierował wyborem stref lądowania i poprosił o funkcje zbierania danych dla łazików Spirit and Opportunity. Inżynierowie z Laboratorium Napędu Odrzutowego przyjęli te prośby i zaprojektowali łaziki, aby im sprostać. Łazwiki, które już dawno przekroczyły swoją pierwotną żywotność, są odpowiedzialne za odkrycia, które w 2004 roku zostały wyróżnione przez Naukę Przełomem Roku. Kontrola nad łazikami Marsowymi została przeniesiona z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w Caltech na Budynek Nauk Kosmicznych Cornell. Co więcej, badacze Cornell odkryli pierścienie wokół planety Uran. Ponadto, Cornell zbudował i obsługiwał największy i najbardziej czuły radioteleskop na świecie w Arecibo w Portoryko.
W 1952 roku John O. Moore z Laboratorium Lotniczego Cornell rozpoczął projekt Automotive Crash Injury Research. (W 1972 r. laboratorium zostało wydzielone z Uniwersytetu jako Calspan Corporation). Było to pionierskie rozwiązanie w zakresie badań zderzeniowych, początkowo z wykorzystaniem ciał, a nie manekinów. W ramach projektu odkryto, że ulepszone zamki drzwi, pochłaniające energię uderzenia koła kierownicy, wyściełane deski rozdzielcze i pasy bezpieczeństwa mogą zapobiec niezwykłemu odsetkowi obrażeń. Projekt doprowadził Liberty Mutual do sfinansowania budowy demonstracyjnego Cornell Safety Car w 1956 r., który zyskał rozgłos w kraju i wpłynął na producentów samochodów. Producenci samochodów wkrótce uruchomili własne laboratoria testowe i stopniowo wprowadzili wiele innowacji Cornell. Inne pomysły, takie jak fotele pasażerskie zwrócone tyłem do kierunku jazdy, nigdy nie spotkały się z przychylnością producentów samochodów i społeczeństwa. []
W 1984 roku Narodowa Fundacja Nauki rozpoczęła prace nad utworzeniem pięciu nowych centrów superkomputerowych, w tym Cornell Center for Advanced Computing, w celu zapewnienia szybkich zasobów obliczeniowych na potrzeby badań w Stanach Zjednoczonych. W 1985 roku zespół z National Center for Supercomputing Applications rozpoczął rozwój NSFNet, sieci komputerowej opartej na TCP/IP, która mogłaby połączyć się z ARPANETem, w Cornell Center for Advanced Computing i University of Illinois w Urbana-Champaign. Ta szybka sieć, nieograniczona dla użytkowników akademickich, stała się szkieletem, do którego podłączone będą sieci regionalne. Początkowo sieć o przepustowości 56-kbit/s, ruch w sieci rósł wykładniczo; łącza zostały zmodernizowane do 1,5 Mbit/s T1s w 1988 roku i do 45 Mbit/s w 1991 roku. NSFNet był kamieniem milowym w rozwoju Internetu, a jego szybki rozwój zbiegł się w czasie z rozwojem sieci World Wide Web.
Naukowcy Cornell badają podstawowe cząstki natury od ponad 70 lat. Fizycy Cornell, tacy jak Hans Bethe, przyczynili się nie tylko do powstania podstaw fizyki jądrowej, ale także uczestniczyli w projekcie Manhattan. W latach 30. ubiegłego wieku Cornell zbudowała drugi cyklotron w Stanach Zjednoczonych. W latach 50. fizycy Cornell stali się pierwszymi, którzy badali promieniowanie synchrotronowe. W latach 90. Pierścień magazynujący elektronów Cornell, pod polem absolwentów, był największym na świecie kolizyjnym elektronowo-pozytonowym zderzakiem o największej jasności. Po zbudowaniu synchrotronu w Cornell, Robert R. Wilson wziął urlop, aby zostać dyrektorem założycielem Fermilabu, który zaprojektował i zbudował Tevatron, największy akcelerator w Stanach Zjednoczonych. Grupy zajmujące się akceleratorem Cornell i fizyką wysokoenergetyczną są zaangażowane w projekt proponowanego Międzynarodowego Zderzacza Liniowego i planują uczestniczyć w jego budowie i eksploatacji. Międzynarodowy Zderzacz Liniowy, który ma zostać ukończony pod koniec 2010 r., uzupełni Wielki Zderzacz Hadronów i rzuci światło na takie kwestie, jak tożsamość ciemnej materii i istnienie dodatkowych wymiarów.
W dziedzinie nauk humanistycznych i społecznych, Cornell jest najbardziej znany z tego, że jest jednym z największych na świecie ośrodków badania Azji Południowo-Wschodniej. Southeast Asia Program (SEAP) w Cornell został wyznaczony jako National Resource Center (NRC) przez Departament Edukacji Stanów Zjednoczonych na lata 2010-2014. W związku z tym SEAP zajmuje czołowe miejsce w skali kraju w zakresie promowania zaawansowanych szkoleń językowych, wiedzy w dziedzinie sztuki liberalnej i dyscypliny stosowanej ukierunkowanej na Azję Południowo-Wschodnią. George McTurnan Kahin Center for Advanced Research on Southeast Asia znajduje się w historycznym "Treman House". George McTurnan Kahin Center jest domem dla absolwentów SEAP, odwiedzających stypendystów i naukowców, członków wydziałów oraz biur publikacji i pomocy technicznej SEAP.
