Die Forschungsuniversität Cornell bringt weltweit die viertgrößte Zahl von Absolventen hervor, die an amerikanischen Institutionen in Ingenieur- oder Naturwissenschaften promovieren. Sie steht auch weltweit an fünfter Stelle bei der Anzahl der Absolventen, die in irgendeinem Bereich an amerikanischen Institutionen promovieren. Forschung ist ein zentrales Element der Mission von Cornell. Im Jahr 2009 gab Cornell 671 Millionen US-Dollar für wissenschaftliche und technische Forschung und Entwicklung aus. Damit steht es an 16. Stelle der höchsten Ausgaben in den Vereinigten Staaten.
Für das Finanzjahr 2004-05 gab die Universität 561,3 Millionen Dollar für die Forschung aus. Von Cornells Einheiten ging der größte Teil dieser Mittel an die Colleges of Medicine ($164,2 Millionen), Agriculture and Life Sciences ($114,5 Millionen), Arts and Sciences ($80,3 Millionen) und Engineering ($64,8 Millionen). Die Gelder stammen größtenteils aus Bundesquellen, wobei die Bundesinvestitionen 381,0 Millionen Dollar betrugen. Die Bundesbehörden, die das meiste Geld investieren, sind das Department of Health and Human Services und die National Science Foundation, die 51,4% bzw. 30,7% aller Bundesinvestitionen in die Universität ausmachen. Cornell stand auf der Top-Ten-Liste der US-Universitäten, die 2003 die meisten Patente erhielten, und gehörte zu den fünf führenden Institutionen des Landes bei der Gründung von Start-up-Unternehmen. In den Jahren 2004-05 erhielt Cornell 200 Erfindungsmeldungen, reichte 203 US-Patentanmeldungen ein, schloss 77 kommerzielle Lizenzvereinbarungen ab und schüttete Lizenzgebühren von mehr als 4,1 Millionen Dollar an Cornell-Einheiten und Erfinder aus.
Seit 1962 ist Cornell an unbemannten Missionen zum Mars beteiligt. Im 21. Jahrhundert war Cornell an der Mars Exploration Rover Mission beteiligt. Cornells Steve Squyres, Principal Investigator für die wissenschaftliche Nutzlast Athena, leitete die Auswahl der Landezonen und forderte Datenerfassungsfunktionen für die Rover Spirit und Opportunity an. Die Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory nahmen diese Wünsche auf und entwarfen die Rover, um sie zu erfüllen. Die Rover, die beide weit über ihre ursprüngliche Lebenserwartung hinaus operiert haben, sind für die Entdeckungen verantwortlich, die 2004 von der Wissenschaft als Durchbruch des Jahres ausgezeichnet wurden. Die Kontrolle über die Marsrover hat sich zwischen dem Jet Propulsion Laboratory der NASA in Caltech und dem Space Sciences Building von Cornell verschoben. Außerdem entdeckten Cornell-Forscher die Ringe um den Planeten Uranus. Außerdem baute und betrieb Cornell das größte und empfindlichste Radioteleskop der Welt in Arecibo, Puerto Rico.
1952 begann John O. Moore am Cornell Aeronautical Laboratory mit dem Projekt zur Erforschung von Unfallverletzungen bei Automobilen. (1972 wurde das Labor als Calspan Corporation von der Universität abgetrennt.) Es leistete Pionierarbeit bei der Anwendung von Crashtests, bei denen ursprünglich Leichen anstelle von Dummys verwendet wurden. Das Projekt entdeckte, dass verbesserte Türschlösser, energieabsorbierende Lenkräder, gepolsterte Armaturenbretter und Sicherheitsgurte einen außergewöhnlichen Prozentsatz von Verletzungen verhindern konnten. Das Projekt veranlasste Liberty Mutual dazu, 1956 den Bau eines Cornell-Sicherheitswagens zu finanzieren, der landesweit bekannt wurde und die Autohersteller beeinflusste. Die Autohersteller begannen bald ihre eigenen Crashtest-Labors und übernahmen nach und nach viele der Cornell-Innovationen. Andere Ideen, wie zum Beispiel nach hinten gerichtete Beifahrersitze, fanden weder bei den Autoherstellern noch in der Öffentlichkeit Anklang. []
1984 begann die National Science Foundation mit der Arbeit an der Einrichtung von fünf neuen Supercomputerzentren, darunter das Cornell Center for Advanced Computing, um Hochgeschwindigkeitsrechenressourcen für die Forschung in den Vereinigten Staaten bereitzustellen. 1985 begann ein Team des National Center for Supercomputing Applications am Cornell Center for Advanced Computing und an der University of Illinois at Urbana-Champaign mit der Entwicklung des NSFNet, eines TCP/IP-basierten Computernetzwerks, das an das ARPANET angeschlossen werden konnte. Dieses Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, das für akademische Benutzer uneingeschränkt zugänglich war, wurde zu einem Backbone, an das regionale Netzwerke angeschlossen werden konnten. Ursprünglich ein 56-Kbit/s-Netz, stieg der Verkehr auf dem Netz exponentiell an; die Verbindungen wurden 1988 auf T1s mit 1,5 Mbit/s und 1991 auf 45 Mbit/s aufgerüstet. Das NSFNet war ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung des Internets, und sein rasches Wachstum fiel mit der Entwicklung des World Wide Web zusammen.
Seit mehr als 70 Jahren erforschen Cornell-Wissenschaftler die fundamentalen Teilchen der Natur. Cornell-Physiker, wie Hans Bethe, trugen nicht nur zu den Grundlagen der Kernphysik bei, sondern beteiligten sich auch am Manhattan-Projekt. In den 1930er Jahren baute Cornell das zweite Zyklotron in den Vereinigten Staaten. In den 1950er Jahren waren die Cornell-Physiker die ersten, die Synchrotronstrahlung studierten. In den 1990er Jahren war der Cornell-Elektronenspeicherring unter dem Alumni Field der Elektronen-Positron-Collider mit der weltweit höchsten Leuchtdichte. Nach dem Bau des Synchrotrons an der Cornell nahm Robert R. Wilson eine Auszeit, um Gründungsdirektor von Fermilab zu werden, wo er das Tevatron, den größten Beschleuniger der Vereinigten Staaten, entwarf und baute. Die Beschleuniger- und Hochenergiephysikgruppen von Cornell sind an der Konstruktion des geplanten Internationalen Linearcolliders beteiligt und planen, sich an dessen Bau und Betrieb zu beteiligen. Der International Linear Collider, der Ende 2010 fertiggestellt werden soll, wird den Large Hadron Collider ergänzen und Licht auf Fragen wie die Identität der dunklen Materie und die Existenz von Extradimensionen werfen.
Im Bereich der Geistes- und Sozialwissenschaften ist Cornell vor allem als eines der weltweit größten Zentren für das Studium Südostasiens bekannt. Das Südostasien-Programm (SEAP) in Cornell ist vom Bildungsministerium der Vereinigten Staaten 2010-2014 als National Resource Center (NRC) ausgewiesen. Daher ist das SEAP landesweit führend in der Förderung von fortgeschrittener Fremdsprachenausbildung, Gebiets- und internationalem Wissen in den freien Künsten und angewandten Disziplinen mit Schwerpunkt Südostasien. Das George McTurnan Kahin Center for Advanced Research on Southeast Asia befindet sich im historischen "Treman House". Das George McTurnan Kahin Center beherbergt SEAP-Absolventen, Gaststipendiaten und -wissenschaftler, Fakultätsmitglieder und die Publikations- und Kontaktbüros der SEAP.
