主要从事气相及表面化学动力学研究。过去二十多年，他利用自行研制和原创的一系列国际领先的科学仪器，在化学反应动力学研究方面取得了系列性的、备受国际瞩目的重要研究成果。澄清了势垒型量子过渡态与反应共振态在动力学上的差异；在量子态水平上观测到氟加氢反应的共振现象；证明了物理化学领域常用的基础手段——玻恩—奥本海默近似在氟加氘反应和氯加氢反应中的有效性；与合作者发展了四原子态-态量子动力学理论与实验方法，得到了HD + OH → H2O + D体系第一个全维精确的微分截面；得到了水分子及其同位素光分解过程非绝热动力学机理；研究了甲醇在二氧化钛表面的光催化解离机理；首次观测到了化学反应中的几何相位效应、量子干涉效应，以及电子角动量对微分截面的影响；首次发现了分子高激发态漫游反应通道。他的系列性研究工作将化学反应动力学实验研究推到了前所未有的高水平上，并通过与理论学者的合作，解决了化学动力学研究领域长期存在的一些科学难题，在反应过渡态动力学以及非绝热动力学研究方面作出了重要贡献。2017年，他带领团队建成了我国第一台自由电子激光大型用户装置，达到国际领先水平。其研究成果于2006、2007连续两年被选为“中国十大科技进展新闻”，于2020年被选为“中国科学十大进展”。在国际学术刊物上发表文章500余篇，其中Science 18篇，Nature 1篇。被邀请为多个国际著名综述杂志撰写综述性文章，如年度物理化学综述 （Annual Review of Physical Chemistry）, 化学研究评论（Accounts of Chemical Research）等。培养了一批优秀的博士研究生，其中有7人获得中国科学院院长特别奖，1人获得全国百篇优秀博士论文奖。
现任中国化学会副理事长，国家自然科学基金委化学科学部主任，辽宁省科学技术协会副主席，第十三届、十四届全国人民代表大会代表。此外，他还担任Chinese Journal of Chemical Physics期刊主编。