Cohen-Tannoudji är känd för sina teoretiska arbeten rörande växelverkan mellan atomer och elektromagnetiska strålningsfält (”dressed atoms”). Han deltog även i utvecklingen av metoder att fånga och kyla neutrala atomer med hjälp av laserstrålar (jämför laserkylning). Speciellt lyckades han uppnå mycket låga temperaturer hos kylda atomer.