Cornell, une université de recherche, produit le quatrième plus grand nombre de diplômés au monde qui poursuivent des doctorats en ingénierie ou en sciences naturelles dans des institutions américaines. Elle est également la cinquième au monde en termes de nombre de diplômés qui poursuivent des doctorats dans des institutions américaines, tous domaines confondus. La recherche est un élément central de la mission de Cornell. En 2009, Cornell a consacré 671 millions de dollars à la recherche et au développement dans le domaine des sciences et de l'ingénierie. Cela en fait le 16e plus important des États-Unis.
Pour l'année fiscale 2004-2005, l'université a dépensé 561,3 millions de dollars en recherche. Parmi les unités de Cornell, la plus grande partie de ces fonds est allée aux facultés de médecine (164,2 millions de dollars), d'agriculture et de sciences de la vie (114,5 millions de dollars), des arts et des sciences (80,3 millions de dollars) et d'ingénierie (64,8 millions de dollars). L'argent provient en grande partie de sources fédérales, avec un investissement fédéral de 381 millions de dollars. Les agences fédérales qui investissent le plus d'argent sont le ministère de la santé et des services sociaux et la Fondation nationale des sciences qui représentent, respectivement, 51,4 % et 30,7 % de tous les investissements fédéraux dans l'université. Cornell figurait sur la liste des dix universités américaines ayant reçu le plus de brevets en 2003, et était l'une des cinq premières institutions du pays en matière de création de jeunes entreprises. En 2004-2005, Cornell a reçu 200 divulgations d'inventions, déposé 203 demandes de brevets américains, conclu 77 accords de licence commerciale et distribué des redevances de plus de 4,1 millions de dollars aux unités et aux inventeurs de Cornell.
Depuis 1962, Cornell a participé à des missions sans pilote vers Mars. Au 21e siècle, Cornell a participé à la mission Mars Exploration Rover. Steve Squyres de Cornell, chercheur principal de la charge utile scientifique Athena, a dirigé la sélection des zones d'atterrissage et a demandé des caractéristiques de collecte de données pour les rovers Spirit et Opportunity. Les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory ont pris ces demandes et ont conçu les rovers pour y répondre. Les rovers, qui ont tous deux fonctionné bien au-delà de leur espérance de vie initiale, sont à l'origine des découvertes qui ont été récompensées par le prix "Percée de l'année 2004" décerné par la science. Le contrôle des rovers de Mars a été transféré du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Caltech au Space Sciences Building de Cornell. De plus, les chercheurs de Cornell ont découvert les anneaux autour de la planète Uranus. De plus, Cornell a construit et exploité le radiotélescope le plus grand et le plus sensible du monde à Arecibo, à Porto Rico.
En 1952, John O. Moore, du laboratoire aéronautique de Cornell, a lancé le projet de recherche sur les blessures dues aux accidents d'automobile. (En 1972, le laboratoire a été séparé de l'université sous le nom de Calspan Corporation.) Il a été le pionnier de l'utilisation des essais de collision, utilisant à l'origine des cadavres plutôt que des mannequins. Le projet a permis de découvrir que l'amélioration des serrures de portes, des volants absorbant l'énergie, des tableaux de bord rembourrés et des ceintures de sécurité pouvait prévenir un pourcentage extraordinaire de blessures. Le projet a conduit Liberty Mutual à financer la construction d'une voiture de démonstration Cornell Safety Car en 1956, qui a reçu une publicité nationale et a influencé les constructeurs automobiles. Les constructeurs automobiles ont rapidement créé leurs propres laboratoires de crash-tests et ont progressivement adopté un grand nombre des innovations de Cornell. D'autres idées, telles que les sièges passagers orientés vers l'arrière, n'ont jamais eu la faveur des constructeurs automobiles ou du public. []
En 1984, la Fondation nationale des sciences a commencé à travailler à la création de cinq nouveaux centres de superordinateurs, dont le Cornell Center for Advanced Computing, afin de fournir des ressources informatiques à haut débit pour la recherche aux États-Unis. En 1985, une équipe du National Center for Supercomputing Applications a commencé à développer le NSFNet, un réseau informatique basé sur TCP/IP qui pouvait se connecter à l'ARPANET, au Cornell Center for Advanced Computing et à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Ce réseau à haut débit, non limité aux utilisateurs universitaires, est devenu une épine dorsale à laquelle les réseaux régionaux seraient connectés. Initialement un réseau à 56 kbit/s, le trafic sur le réseau a connu une croissance exponentielle ; les liaisons ont été portées à 1,5 Mbit/s T1s en 1988 et à 45 Mbit/s en 1991. Le NSFNet a été une étape majeure dans le développement de l'Internet et sa croissance rapide a coïncidé avec le développement du World Wide Web.
Les scientifiques de Cornell font des recherches sur les particules fondamentales de la nature depuis plus de 70 ans. Les physiciens de Cornell, tels que Hans Bethe, ont non seulement contribué aux fondements de la physique nucléaire mais ont également participé au projet Manhattan. Dans les années 1930, Cornell a construit le deuxième cyclotron aux États-Unis. Dans les années 1950, les physiciens de Cornell ont été les premiers à étudier le rayonnement synchrotron. Dans les années 1990, l'anneau de stockage d'électrons de Cornell, situé sous le champ des anciens, a été le collisionneur électron-positon le plus lumineux du monde. Après avoir construit le synchrotron à Cornell, Robert R. Wilson a pris un congé pour devenir le directeur fondateur du Fermilab, qui a impliqué la conception et la construction du Tevatron, le plus grand accélérateur des États-Unis. Les groupes de physique des accélérateurs et des hautes énergies de Cornell sont impliqués dans la conception du collisionneur linéaire international proposé et prévoient de participer à sa construction et à son exploitation. Le collisionneur linéaire international, qui sera achevé à la fin des années 2010, complétera le grand collisionneur de hadrons et éclairera des questions telles que l'identité de la matière noire et l'existence de dimensions supplémentaires.
Dans le domaine des sciences humaines et sociales, Cornell est surtout connu pour être l'un des plus grands centres mondiaux d'étude de l'Asie du Sud-Est. Le Programme Asie du Sud-Est (SEAP) à Cornell est désigné comme Centre national de ressources (NRC) par le Département de l'éducation des États-Unis pour la période 2010-2014. Par conséquent, le SEAP joue un rôle de premier plan au niveau national dans la promotion de la formation avancée en langues étrangères, des connaissances régionales et internationales dans le domaine des arts libéraux et des disciplines appliquées axées sur l'Asie du Sud-Est. Le George McTurnan Kahin Center for Advanced Research on Southeast Asia se trouve dans la "Treman House" historique. Le Centre George McTurnan Kahin accueille les étudiants diplômés du SEAP, les boursiers et chercheurs invités, les membres du corps enseignant et les bureaux de publication et de diffusion du SEAP.
