Sus principales contribuciones científicas han sido en el campo de la formación y evolución de galaxias, tanto a nivel teórico como de inferencias semi-empíricas y arqueológicas; en el problema de determinar la naturaleza de la materia y energía oscuras, aparentes componentes invisibles del cosmos que contribuyen con más del 95% a la densidad de materia-energía del Universo actual; así como en el uso de los Estallidos de Rayos Gamma, las explosiones más potentes del cosmos, como herramientas cosmológicas. Es árbitro regular de las principales revistas de astronomía y astrofísica del mundo y fue o es miembro de múltiples comisiones académicas revisoras y de evaluación en México y otros países. El Dr. Avila Reese realiza también una amplia labor de docencia y formación de recursos humanos (19 graduados de doctorado, maestría y licenciatura), así como de difusión y divulgación de la ciencia a través de artículos y conferencias para todo público, entrevistas en periódicos, radio, TV y otros medios. Es miembro de la Unión Astronómica Internacional y de la Academia Mexicana de Ciencias.