Ses activités de recherches fondamentales et translationnelles se concentrent à l’interface de la physique et de la biologie. Ses recherches incluent des études pionnières en IRM fonctionnelle diagnostique et l’exploration des interactions entre la lumière laser et le tissu cérébral. En 2006, il fonde son propre laboratoire, réalisant les tous premiers traitements Laser au monde de tumeurs cérébrales à crâne fermé. Dès 2010, le Professeur Alexandre Carpentier explore l'utilisation des ultrasons pour ouvrir la barrière hémato-encéphalique, aboutissant à des avancées significatives publiées dans des revues renommées telles que Science Translational Medicine, Clinical Cancer Research et The Lancet Oncology. Il fonde également la start-up universitaire CarThera pour valoriser ses découvertes et les rendre accessibles aux patients du monde entier. Il a été élu Président de la Commission Recherche et Innovation du groupe hospitalier Pitié Salpêtrière en 2011 et siège au board de l'International Society for Therapeutic Ultrasound, tout en participant activement à de nombreux congrès internationaux. Aujourd'hui, il poursuit ses recherches sur les ultrasons appliqués à d'autres pathologies cérébrales, comme la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA), convaincu que l'innovation et la collaboration sont essentielles pour avancer en neurochirurgie.