长期从事导弹、火箭及再入飞行器的空气动力学研究试验和计算空气动力学的研究工作。主持我国空气动力学的试验研究基础及许多重要风洞试验设备的建设。主持并完成国家自然科学基金重大项日—旋涡、激波和非平衡起主导作用的复杂流动的研究。以及旋涡与分离的重大基金项目的研究，其中有的成果达到当时国际领先水平。

早年从事水煤气合成液体燃料的研究，其后主要从事气相色谱和高效液相色谱的理论研究和新技术开发。建立了多元混合物分离的理论基础，为超纯气体制备提供了纯化和检测方法，发展了腐蚀性气体色谱分析仪、金属中气体分析仪和大气中毒物分析仪等。在研究色谱峰型等规律基础上提出了选择色谱最佳操作条件的方法，成功地应用于发展细管径高效液相色谱。在深入和系统地进行气相色谱和高效液相色谱理论研究的基础上，发展出气相和液相色谱定性、拟合定量和智能优化等专家系统及其软件，并在环境毒物分析及中药智能分析中取得成效。

长期致力于电极过程动力学研究。早年对阴、阳离子和非离子型表面活性物质在电极表面上的吸附与联合吸附过程，以及它们对电极反应过程的影响作过比较系统的工作，所总结出的规律对选择电镀添加剂和电池缓蚀剂具有一定的指导意义。20世纪70年代中期，在燃料电池和空气电池的研究中，对气体电极(氢、氧)、催化剂和多孔气体扩散电极的极化过程有较深入的研究。在对空气电极表面上周体析出“冒盐”和液体析出“冒汗”机理研究的基础上，制出了长寿命气体电极并组装成功200W间接氨空气燃料电池系统，曾在微波中继站试用。20世纪80年代开始主要从事光电化学催化、高比能锂电池及生物酶电极研究，并创建了适用于研究粉末材料电化学性质的粉末微电极方法。所编著的《电极过程动力学导论》(1976、1987、2002共版)是我国广泛使用的研究生教材。

早年完成了合成汽油制甲苯催化剂研制和工业化试验。推导论证化学吸附与催化反应之间的联系，发表“化学吸附覆盖度与动力学关系”和“合成氨反应速度与氮、氢吸附的关系”等论文；参与并协助领导了合成氨原料气净化新流程三种催化剂的研制和工业化试验并获得成功。在发展天然气及含烯混合气的蒸气重整催化剂，多金属重整及担载金属等催化剂的研制中，多有建树。20世纪80年代以后，在探讨烃类催化转化反应机理、催化剂金属—载体相互作用、小分子的吸附态和吸附、脱附动力学等基础研究工作中均有成果。

1961年回国后，开始了现代人体细胞遗传学和细胞生物学研究。1974年对我国北方食管癌的遗传病因进行研究。1979年提倡优生学研究，为优生学正名。20世纪80年代初，提出通过遗传学分析，对食管癌高发区进行规模预防以降低发病率的策略；1983年，开始分子水平的研究，着手分离我国食管癌的易感基因（抑癌基因），应用抑癌基因和分化基因进行癌症基因治疗。建议并参与我国人类基因组计划和生物信息学的启动和发展。代表作有《人类遗传学原理》(译著)和《医学遗传学》(合著)等。

1958年，研制成功锗合金扩散高频晶体管，应用于我国研制的晶体管计算机。1959-1963年，负责研究全部硅平面工艺技术，并研制成功五种硅平面晶体管；1974年，成功地用自制的图形发生器自动制版技术制成了大规模集成电路掩模版；提出并研制一种新的多值与连续逻辑高速电路—多元逻辑电路，并试用于整机。2000年，研制多权值神经元网络计算机，提出了仿生模式识别写高维形象几何算法，并实用于人脸识别系统中。

主要从事数理逻辑、自动机理论、程序语言与编译方法、形式语义、软件开发方法、工具与环境等方面的研究。提出可执行时序逻辑语言XYZ/E，以统一形式化框架表示程序动态语义与规约静态语义，并与软件工程工具结合支撑软件开发全过程，被列为中国科学院建院50年来50项主要科研成果之一。

主要从事自动控制理论与应用研究，开展在非线性控制、大系统、多机器人控制、飞行器控制、复杂系统的智能控制等领域的科研工作。主要代表作有《非线性控制系统导论》《变结构控制理论基础》等10余部。

主要从事原子光谱/质谱分析研究。早年创立了可测定包括卤素在内的微量易挥发元素的新型双电弧光源。20世纪60年代，建立了国内第一套AAS装置和钽舟无焰AAS装置。70年代，提出可同时测定氢化物和非氢化物元素的新型雾化—氢化物发生器。近年来，研究强电流微秒脉冲供电空心阴极灯激发原子/离子荧光分析法，改善了多种元素的检出限。

长期从事有机合成化学研究，主要涉及有机合成方法、杂环化合物合成及超分子化学等方面。用顺磁共振谱证明芳醛肟脱氢二聚体在氯仿中加热时分解成亚胺氧自由基，并研究了亚胺氧自由基与苯乙烯类似物和共轭二烯的加成反应以及与酚类的取代反应。开发了一种新的Gabriel试剂N-甲酰基甲酰氨钠，可用于伯胺、α氨基酮及α酮酸酯的合成。发展了在氧化剂存在下，用吡啶N-叶立德与烯烃的1,3-和1,5-偶极环化加成反应合成中氮茚衍生物的新方法。首次合成了双冠醚与碱金属盐的1:1和2:2配合物，并测定了它们的晶体结构。

从事生物固氮和微生物次级代谢物的研究。在研究固氮酶催化机制过程中，证实了固氮酶催化HD形成的普遍性和对N2的绝对依赖性，提出了固氮酶的双位点放H2模型。在研究微生物次生代谢产物过程中，发现由玉米赤霉菌所产生的玉米赤霉烯酮也是高等植物的一类与发育密切有关的新型激素；由胶孢镰刀菌所产生的串珠镰刀菌素是克山病的主要致病因子。在我国成功地开发了赤霉素(GA3和GA4+7)、莫能菌素、马杜霉素、阿维菌素等农用发酵产品。代表作有《微生物学》和《微生物生理学》等。

研究微分对策理论，提出定性极大值原理，并给出一系列应用。研究主从对策理论，提出惩罚量等新概念及定量计算。开展了复杂控制系统对称性和相似性结构与控制规律的研究。曾参与国防工程反坦克导弹研制，解决控制系统关键技术问题等。

主要从事化学键理论及计算量子化学研究。早期曾作氢键本质研究和配位场理论方法研究。1980年以后主要从事化学反应的理论研究。对加成反应从理论上提出了取代基可以改变反应物间作用能本质并影响反应机理的新观点。对异构化反应预言了某些不稳定异构体的存在，后为实验证实。揭示了自由基反应中负活化能产生的根源。用轨旋耦合作用阐明了自旋禁阳反应的起因。证明了在特定条件下，非断裂键的振动激发也可促进反应。侧重激发态反应势能面及相关光化反应的理论研究和大分子间弱相互作用的理论研究。著有《量子化学基础》等。

主要从事蛋白质结构与功能研究。在重合成胰岛素的纯化与结品、胰岛素类似物的酶促合成、胰岛素及表皮生长因子的蛋白质工程、植物病毒与肌肉蛋白等方面的研究，取得了创新性成果：从粗产物中分离纯化结品的重合成胰岛素，表明重合成分子具有天然胰岛素分子的三维结构；利用酶促方法合成胰岛素类似物；创立猪胰岛素制备的新工艺并研究胰岛素的分子进化；实现重组人胰岛素在酵母细胞中的高表达并研究胰岛素的蛋白质工程；用微量酶促方法合成表皮生长因子类似物。