Cornellova výzkumná univerzita produkuje čtvrtý největší počet absolventů na světě, kteří pokračují v doktorském studiu technických nebo přírodních věd na amerických institucích. Je také pátá na světě v počtu absolventů, kteří pokračují v doktorském studiu na amerických institucích v jakémkoli oboru. Výzkum je ústředním prvkem poslání Cornellu. V roce 2009 vynaložil Cornell na vědecký a technický výzkum a vývoj 671 milionů dolarů. Kč, což je 16. nejvyšší částka ve Spojených státech.
Pro 2004-05 fiskální rok, univerzita vynaložila $561.3 milionů na výzkum. Z Cornellových jednotek šlo nejvíce prostředků na lékařskou fakultu (164,2 milionu dolarů), zemědělskou fakultu a fakultu věd o živé přírodě (114,5 milionu dolarů), fakultu umění a věd (80,3 milionu dolarů) a technickou fakultu (64,8 milionu dolarů). Peníze pocházejí převážně z federálních zdrojů, přičemž federální investice činily 381,0 milionu dolarů. Nejvíce peněz investují federální agentury: Ministerstvo zdravotnictví a sociálních služeb a Národní vědecká nadace, které tvoří 51,4 %, resp. 30,7 % všech federálních investic do univerzity. Cornell byl v roce 2003 v první desítce amerických univerzit, které získaly nejvíce patentů, a patřil mezi pět nejlepších institucí v zemi, které zakládaly nové společnosti. V letech 2004-2005 Cornell obdržel 200 přihlášek vynálezů, podal 203 amerických patentových přihlášek, uzavřel 77 komerčních licenčních smluv a rozdělil licenční poplatky ve výši více než 4,1 milionu dolarů jednotkám a vynálezcům Cornellu.
Od roku 1962 se Cornell podílí na bezpilotních misích na Mars. V 21. století se Cornell podílel na misi Mars Exploration Rover. Steve Squyres z Cornellu, hlavní výzkumník vědeckého nákladu Athena, vedl výběr přistávacích zón a požadovaných prvků pro sběr dat pro rovery Spirit a Opportunity. Inženýři z Jet Propulsion Laboratory tyto požadavky přijali a navrhli rovery tak, aby je splňovaly. Oba rovery, které pracují již dlouho po uplynutí své původní životnosti, jsou zodpovědné za objevy, které byly oceněny vědeckým časopisem Science jako průlom roku 2004. Řízení marsovských roverů se přesunulo mezi Laboratoř proudového pohonu NASA na Caltechu a Cornellovu budovu vesmírných věd. Dále vědci z Cornellu objevili prstence kolem planety Uran. Cornell také postavil a provozoval největší a nejcitlivější radioteleskop na světě v Arecibu v Portoriku.
V roce 1952 zahájil John O. Moore v Cornellově letecké laboratoři projekt výzkumu zranění při automobilových nehodách. (V roce 1972 byla laboratoř oddělena od univerzity jako Calspan Corporation.) Byla průkopníkem v používání crash testů, původně s použitím mrtvol namísto figurín. Projekt zjistil, že zdokonalené zámky dveří, volanty pohlcující energii, polstrované palubní desky a bezpečnostní pásy mohou zabránit mimořádnému procentu zranění. Projekt vedl společnost Liberty Mutual k financování stavby demonstračního vozu Cornell Safety Car v roce 1956, který získal celostátní publicitu a ovlivnil výrobce automobilů. Výrobci automobilů brzy založili vlastní laboratoře pro nárazové zkoušky a postupně převzali mnoho inovací z Cornellova projektu. Jiné nápady, jako například sedadla pro cestující umístěná proti směru jízdy, si nikdy nenašly přízeň výrobců automobilů ani veřejnosti. []
V roce 1984 zahájila Národní vědecká nadace práce na zřízení pěti nových superpočítačových center, včetně Cornellova centra pro pokročilé výpočty, která měla poskytnout vysokorychlostní výpočetní zdroje pro výzkum ve Spojených státech. V roce 1985 zahájil tým Národního centra pro superpočítačové aplikace v Cornellově centru pro pokročilé výpočty a na Illinoiské univerzitě v Urbana-Champaign vývoj sítě NSFNet, počítačové sítě založené na protokolu TCP/IP, která se mohla připojit k síti ARPANET. Tato vysokorychlostní síť, neomezená na akademické uživatele, se stala páteří, ke které se připojovaly regionální sítě. Zpočátku se jednalo o síť s rychlostí 56 kbit/s, ale provoz v síti exponenciálně rostl; v roce 1988 byly linky modernizovány na T1 s rychlostí 1,5 Mbit/s a v roce 1991 na 45 Mbit/s. Síť NSFNet byla významným milníkem ve vývoji internetu a její rychlý růst se časově shodoval s rozvojem World Wide Webu.
Vědci z Cornellu zkoumají základní částice přírody již více než 70 let. Fyzikové z Cornellu, jako například Hans Bethe, přispěli nejen k základům jaderné fyziky, ale podíleli se také na projektu Manhattan. Ve 30. letech 20. století postavil Cornell druhý cyklotron ve Spojených státech. V 50. letech 20. století se cornellští fyzikové jako první zabývali synchrotronovým zářením. V devadesátých letech 20. století byl Cornell Electron Storage Ring pod Alumni Fieldem srážečem elektronů a pozitronů s nejvyšší světelností na světě. Po vybudování synchrotronu na Cornellu si Robert R. Wilson vzal dovolenou a stal se zakládajícím ředitelem Fermilabu, což zahrnovalo projektování a stavbu Tevatronu, největšího urychlovače ve Spojených státech. Cornellovy skupiny urychlovačů a fyziky vysokých energií se podílejí na návrhu navrhovaného Mezinárodního lineárního urychlovače a plánují se podílet na jeho výstavbě a provozu. Mezinárodní lineární urychlovač, který má být dokončen koncem roku 2010, doplní Velký hadronový urychlovač a objasní otázky, jako je identita temné hmoty a existence dalších dimenzí.
V oblasti humanitních a společenských věd je Cornellova univerzita známá především jako jedno z největších světových center pro studium jihovýchodní Asie. Program pro jihovýchodní Asii (SEAP) na Cornellu byl Ministerstvem školství Spojených států amerických označen za Národní zdrojové centrum (NRC) pro období 2010-2014. SEAP je tedy celostátně významný v oblasti podpory pokročilého cizojazyčného vzdělávání, plošných a mezinárodních znalostí v humanitních a aplikovaných oborech zaměřených na jihovýchodní Asii. Centrum George McTurnana Kahina pro pokročilý výzkum jihovýchodní Asie sídlí v historické budově "Treman House". V Centru George McTurnana Kahina sídlí postgraduální studenti SEAP, hostující stipendisté a vědci, členové fakulty a publikační a informační kanceláře SEAP.
