Lonsdales forskning berörde bl.a. grundläggande strukturkemiska problem (bensenringens planaritet, existensen av molekylorbitaler), kristallsymmetri och formlerna för beräkning av strukturfaktorer och elektrontäthet samt kristalldynamik (dvs. de termiska rörelserna i kristaller) och dess samband med kristallers fysikaliska egenskaper. Hennes arbete med diamantstrukturen ledde till att den mycket sällsynta, hexagonala fasen av diamant