Wolf-Dieter Heiss hat sowohl experimentell als auch klinisch gearbeitet und dabei Ergebnisse der experimentellen Forschung auf die klinische Anwendung übertragen sowie klinische Fragestellungen im Tiermodell untersucht. Die Arbeiten, die nach Ausbildung und Tätigkeit an der Univ. Klinik für Neurologie in Wien und mehreren Auslandsaufenthalten am Max-Planck-Institut in Köln (1978-2005) und an der Klinik für Neurologie (1985-2005) ausgeführt wurden, konzentrierten sich auf die zerebrale Ischämie und den Schlaganfall sowie auf die Entwicklung bildgebender Verfahren zur Untersuchung von Hirnstoffwechsel und –funktion. In Verbindung dieser Arbeitsgebiete erforschte er die Überlebensfähigkeit des Gehirngewebes während Durchblutungsstörungen, die eine entscheidende Grundlage für die Entwicklung von Therapien des Schlaganfalls, z. B. der Thrombolyse, bildeten. Weitere Arbeitsgebiete betrafen Veränderungen unterschiedlicher Stoffwechselparameter bei Hirntumoren und Demenzen, die zur Verbesserung der Diagnose und Therapie dieser Erkrankungen beitrugen, sowie die funktionellen Aktivierungsmuster im Gehirn bei Gesunden und Patienten, die zum Verständnis von Defekten und von Kompensationsmechanismen wichtig sind.