乌伦贝克是几何分析领域的创始人之一。在早期的工作中，她在高维弯曲空间中找出了肥皂泡的形状。她的研究兴趣还包括非线性偏微分方程，微分几何，规范理论，拓扑量子场论和可积系统。阿贝尔奖委员会提供的资料称，乌伦贝克最着名的工作集中在规范理论上。她的研究分析了杨-米尔斯方程的四个维度，为粒子物理学的标准模型和量子引力理论奠定了一些分析基础。她的论文也启发了数学家Cliff Taubes和Simon Donaldson。
乌伦贝克是数学和科学领域性别多样性的坚定倡导者。她曾表示她意识到自己是年轻的女性数学家的榜样。但她说，做一个榜样很难，“因为你真正需要做的是向学生展示一个不完美的人仍然可以成功。”
