Er hat die Mainzer Klimageographie zu einer international sichtbaren Forschungsgruppe auf dem Gebiet der Paläoklimatologie mit Methoden der Baumringanalyse und anderen paläoklimatischen Archiven aufgebaut. Zum Verständnis des aktuell ablaufenden anthropogen bedingten Klimawandels sind solche Analysen der natürlichen Klimavariabilität unverzichtbar. Auch jenseits seines engeren Forschungsgebietes, der Dendrochronologie, trägt er zum Erkenntnisfortschritt in der Klimatologie bei, in den letzten Jahren unter anderem durch Publikationen zur rezenten Sommerdürre in Europa, zum Stadtklima oder zu den klimatisch bedingten Schwankungen europäischer Getreidepreise. Seit Februar 2018 ist Jan Esper gewähltes Mitglied der Akademie der Wissenschaften und der Literatur in Mainz. Nach zahlreichen nationalen und internationalen Drittmitteleinwerbungen hat er zuletzt einen ERC Advanced Grant zur Erforschung klimabedingter Baumwachstumsveränderungen in den Wäldern der Nordhemisphäre eingeworben. Als GFK-Fellow wird er einen neuen Schwerpunkt seiner Forschung auf quantitative Holzanatomie legen und damit neue Techniken etablieren, die zur Klärung des Divergenz-Problems, dem Auseinanderklaffen von Temperaturen und Baumjahrringen seit den 1960er-Jahren, beitragen sollen.