Ihr Forschungsinteresse gilt dem Lernen und Lehren und ganz besonders den kognitiven Prozessen beim Lernen von Mathematik. In verschiedenen Forschungsprojekten – vorwiegend mit Schülerinnen und Schülern – hat sie Aspekte der Entwicklung mathematischen Denkens wie etwa in Bezug auf das mathematische Beweisen empirisch untersucht. Darüber hinaus liegt ein Schwerpunkt auf computerunterstützten Lernumgebungen und ihrer Evaluation im Mathematikunterricht. Bis 2021 war sie Leiterin der PISA-Studien in Deutschland und hat die Berichterstattung 2015 und 2018 verantwortet. Die internationale Anbindung fachdidaktischer Forschung ist ihr ganz allgemein ein wichtiges Anliegen. Sie ist Autorin von mehr als 300 Publikationen, hat 18 Doktorandinnen und Doktoranden erfolgreich betreut, neun ihrer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter haben inzwischen eine Professur an einer Universität inne.