陈明城一直专注于量子物理领域，尤其是量子力学的基础问题和量子计算应用。他的研究主要基于单光子、单原子和超导人工原子展开，并在量子力学基础问题的检验以及构建优于目前超级计算机模拟能力的量子计算原型机上取得了重要进展。

在量子力学基础方面，他在实验上通过量子隐形传态实现了对任意波函数实部虚部的直接测量，通过量子纠缠交换的贝尔测试确立了复数的物理客观性，通过三光子干涉观察到量子违背鸽笼原理挑战了自然计数规律。

在量子计算方面，他和团队通过实现光量子计算原型机“九章”，在国际上首次展示了光量子计算优越性，在高斯玻色取样任务上比当时世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，同时他也助力实现了优于谷歌“悬铃木”量子霸权的“祖冲之号”超导量子计算优越性展示，有效地挑战了扩展丘奇-图灵论题。