Cornell, o universitate de cercetare, produce al patrulea cel mai mare număr de absolvenți din lume care urmează să obțină un doctorat în inginerie sau în științe naturale în cadrul instituțiilor americane. De asemenea, este pe locul cinci în lume în ceea ce privește numărul de absolvenți care obțin doctorate în instituții americane în orice domeniu. Cercetarea este un element central al misiunii Cornell. În 2009, Cornell a cheltuit 671 de milioane de dolari pentru cercetare și dezvoltare în domeniul științei și ingineriei. Acest lucru o situează pe locul 16 în Statele Unite.
Pentru anul fiscal 2004-2005, universitatea a cheltuit 561,3 milioane de dolari pentru cercetare. Dintre unitățile Cornell, cea mai mare parte a acestei finanțări a revenit colegiilor de Medicină (164,2 milioane de dolari), Agricultură și Științe ale Vieții (114,5 milioane de dolari), Arte și Științe (80,3 milioane de dolari) și Inginerie (64,8 milioane de dolari). Banii provin în mare parte din surse federale, cu o investiție federală de 381,0 milioane de dolari. Agențiile federale care investesc cei mai mulți bani sunt Departamentul de Sănătate și Servicii Umane și Fundația Națională pentru Știință, care reprezintă, respectiv, 51,4% și 30,7% din totalul investițiilor federale în universitate. Cornell s-a aflat în topul primelor zece universități americane care au primit cele mai multe brevete în 2003 și a fost una dintre primele cinci instituții din țară în ceea ce privește formarea de companii nou înființate. În 2004-2005, Cornell a primit 200 de dezvăluiri de invenții, a depus 203 cereri de brevete americane, a încheiat 77 de acorduri de licență comercială și a distribuit redevențe de peste 4,1 milioane de dolari către unitățile Cornell și inventatori.
Din 1962, Cornell a fost implicată în misiuni fără echipaj uman către Marte. În secolul XXI, Cornell a participat la misiunea Mars Exploration Rover. Steve Squyres de la Cornell, cercetător principal pentru încărcătura științifică Athena, a condus selecția zonelor de aterizare și a solicitat caracteristici de colectare a datelor pentru roverele Spirit și Opportunity. Inginerii de la Jet Propulsion Laboratory au luat în considerare aceste solicitări și au proiectat roverele pentru a le îndeplini. Ambele rovere, care au funcționat cu mult timp în urmă față de durata de viață inițială, sunt responsabile pentru descoperirile care au fost premiate cu distincția "Descoperirea anului 2004" de către Science. Controlul roverelor de pe Marte a fost transferat între Jet Propulsion Laboratory al NASA de la Caltech și Space Sciences Building din Cornell. Mai mult, cercetătorii de la Cornell au descoperit inelele din jurul planetei Uranus. De asemenea, Cornell a construit și a operat cel mai mare și mai sensibil radiotelescop din lume în Arecibo, Puerto Rico.
În 1952, John O. Moore, de la Laboratorul aeronautic Cornell, a demarat proiectul de cercetare a leziunilor provocate de accidentele auto. (În 1972, laboratorul a fost separat de universitate sub numele de Calspan Corporation.) Acesta a fost un pionier în utilizarea testelor de impact, folosind inițial cadavre mai degrabă decât manechine. Proiectul a descoperit că îmbunătățirea încuietorilor ușilor, a volanului cu absorbție de energie, a planșelor de bord capitonate și a centurilor de siguranță ar putea preveni un procent extraordinar de leziuni. Proiectul a determinat Liberty Mutual să finanțeze construcția unui automobil demonstrativ Cornell Safety Car în 1956, care a primit publicitate la nivel național și a influențat producătorii de automobile. În curând, producătorii de automobile și-au înființat propriile laboratoare de testare a accidentelor și au adoptat treptat multe dintre inovațiile Cornell. Alte idei, cum ar fi scaunele pentru pasageri orientate spre spate, nu au fost niciodată acceptate de producătorii de automobile sau de public. []
În 1984, Fundația Națională pentru Știință a început să lucreze la înființarea a cinci noi centre de supercomputere, printre care și Centrul Cornell pentru Calcul Avansat, pentru a oferi resurse de calcul de mare viteză pentru cercetare în Statele Unite. În 1985, o echipă de la National Center for Supercomputing Applications a început dezvoltarea NSFNet, o rețea de calculatoare bazată pe TCP/IP care se putea conecta la ARPANET, la Cornell Center for Advanced Computing și la University of Illinois at Urbana-Champaign. Această rețea de mare viteză, nerestricționată pentru utilizatorii universitari, a devenit o rețea centrală la care urmau să fie conectate rețelele regionale. Inițial o rețea de 56 kbit/s, traficul în rețea a crescut exponențial; legăturile au fost modernizate la T1-uri de 1,5 Mbit/s în 1988 și la 45 Mbit/s în 1991. NSFNet a reprezentat o etapă importantă în dezvoltarea internetului, iar creșterea sa rapidă a coincis cu dezvoltarea World Wide Web.
Oamenii de știință de la Cornell cercetează particulele fundamentale ale naturii de mai bine de 70 de ani. Fizicienii de la Cornell, precum Hans Bethe, au contribuit nu numai la bazele fizicii nucleare, ci au participat și la Proiectul Manhattan. În anii 1930, Cornell a construit al doilea ciclotron din Statele Unite. În anii 1950, fizicienii de la Cornell au devenit primii care au studiat radiația sincrotronică. În anii 1990, Cornell Electron Storage Ring, aflat sub Alumni Field, a fost acceleratorul de electroni și pozitroni cu cea mai mare luminozitate din lume. După ce a construit sincrotronul de la Cornell, Robert R. Wilson și-a luat un concediu pentru a deveni directorul fondator al Fermilab, ceea ce a presupus proiectarea și construirea Tevatronului, cel mai mare accelerator din Statele Unite. Grupurile de acceleratoare și de fizică a energiilor înalte de la Cornell sunt implicate în proiectarea acceleratorului liniar internațional propus și intenționează să participe la construcția și exploatarea acestuia. Acceleratorul liniar internațional, care urmează să fie finalizat la sfârșitul anilor 2010, va completa acceleratorul de particule Large Hadron Collider și va face lumină asupra unor întrebări precum identitatea materiei întunecate și existența unor dimensiuni suplimentare.
În domeniul științelor umaniste și sociale, Cornell este cel mai bine cunoscut pentru că este unul dintre cele mai mari centre din lume pentru studiul Asiei de Sud-Est. Programul pentru Asia de Sud-Est (SEAP) de la Cornell este desemnat drept un centru național de resurse (NRC) de către Departamentul de Educație al Statelor Unite pentru perioada 2010-2014. Prin urmare, SEAP este proeminent la nivel național în promovarea formării avansate în limbi străine, a cunoștințelor zonale și internaționale în domeniul artelor liberale și al disciplinelor aplicate axate pe Asia de Sud-Est. Centrul George McTurnan Kahin pentru cercetări avansate privind Asia de Sud-Est se află în istorica "Casă Treman". Centrul George McTurnan Kahin găzduiește studenții absolvenți ai SEAP, bursierii și cercetătorii invitați, membrii facultății și birourile SEAP de publicare și de informare.
