Catherine Bréchignac est une spécialiste de physique atomique, profitant de la physique nucléaire et de la physique moléculaire. Ses recherches ont concerné principalement les agrégats d’atomes, appelés en anglais "clusters". Elle est l'une des premières à s'être intéressée à ces objets, parfois proches des nanoparticules. Elle est l'auteur principal ou la co-auteur de plus de 120 articles dans des revues à comité de lecture.