主要从事大气边界层观测及卫星遥感应用研究。曾负责国家重大科学研究计划项目、国家自然科学基金重点项目、杰出青年基金项目和面上项目、重大国际合作项目等近20项，同时是重大国际合作研究计划“全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究”(GAME/Tibet)和 “全球协调加强计划之亚澳季风青藏高原试验研究”(CAMP/Tibet)的中方两个总协调人之一。在执行这些项目时，以马耀明研究员为首的“青藏高原地气作用与气候效应”团队在条件十分艰苦的青藏高原建立了十余个多圈层多过程综合观测研究站及二十多个多圈层地气相互作用观测站点，取得了大量的实地观测资料。已在国内外重要期刊上发表学术论文370余篇（第一作者和通讯作者86篇），并出版英文专著1部。