Rombachs Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich Software Engineering, speziell in ingenieursmäßigen Methoden zur Entwicklung von Software mit vorhersagbarer Qualität; quantitativen Methoden zum Messen und Bewerten von Softwareprodukten und -prozessen zum Zwecke des Projektmanagements und der Qualitätssicherung; Sprachen, Methoden und Werkzeugen zur Erstellung und zum Management von Entwicklungsprozessen auf der Basis expliziter Softwareprozessmodelle; sowie empirischen Methoden und deren Anwendung zur Bestimmung der Effekte von Softwareentwicklungsmethoden.

Dieter Rombach ist Autor von mehr als 250 wissenschaftlichen Veröffentlichungen.