Emmanuelle Charpentier travaille sur la régulation de l'expression des gènes du point de vue de l'ARN microbien ainsi que sur les bases moléculaires de l'infection. Elle s'intéresse également à la manière dont les bactéries luttent contre les agents pathogènes. Emmanuelle Charpentier a établi sa renommée mondiale identifiant et déchiffrant les mécanismes moléculaires du système immunitaire bactérien CRISPR/Cas9. Elle a aussi inventé la technique de CRISPR/Cas9 en collaboration avec Jennifer Doudna (en) qui a révolutionné le domaine de l'ingénierie génétique. Pour cette découverte, elle a reçu de nombreux et prestigieux prix.

Emmanuelle Charpentier et  Jennifer Doudna ont découvert chez les bactéries des sortes de ciseaux moléculaires capables de découper l'ADN très précisément au point d'en modifier un gène, aussi simplement qu'un copier-coller sur un texte.