Les principaux domaines de recherche du Professeur Kip S. Thorne sont la théorie de la relativité générale d'Einstein et l'astrophysique. Les contributions scientifiques de Thorne, qui se concentrent sur la nature générale de l'espace, du temps, et de la gravité, couvrent tous les sujets de la relativité générale, incluant la confrontation aux théories de la gravité rivales, les applications de la relativité aux structures stellaires et à leur évolution (par exemple, ses études des structures et de l'évolution des étoiles massives qui ont un trou noir ou une étoile à neutrons comme stade final), les trous noirs, les trous de ver, les gravitons, et les ondes gravitationnelles. Il est peut-être plus connu pour sa théorie controversée selon laquelle les trous de ver pourraient être utilisés pour voyager dans le temps.
Thorne est la première personne à mener des recherches scientifiques dans le but de savoir si les lois de la physique permettent à l'espace et au temps d'être multiplement connectés (les vortex traversables et les machines à remonter le temps peuvent-elles exister?). Thorne a également étudié des sujets tels que l'origine statistique de l'entropie d'un trou noir, et l'entropie du fond cosmologique selon un modèle inflationnel de l'Univers.
Parmi une poignée de physiciens, le professeur Thorne est considéré comme l'une des références mondiales en matière d'ondes gravitationnelles. Son travail portait en partie sur la prédiction de la force de ces ondes et de leurs signatures temporelles observées depuis la Terre. Ces «signatures» sont d'une grande utilité pour LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), une expérience multi-institutionnelle sur les ondes gravitationnelles dont Thorne a été l'un des principaux partisans - en 1984, il a cofondé le projet LIGO (le plus gros projet jamais fondé par la NSF) pour discerner et mesurer des fluctuations entre plusieurs points «statiques» ; de telles fluctuations seraient une preuve de l'existence des ondes gravitationnelles, telles que les calculs les décrivent. Plus important, il a établi les bases d'une théorie des pulsations des étoiles relativistes et de la radiation gravitationnelle qu'elles émettent.