​Ses recherches ont permis des avancées majeures dans la compréhension des relations entre les flux de gaz à effet de serre terrestres et le climat. Philippe Ciais a notamment été pionnier dans l'intégration des écosystèmes cultivés dans les modèles d'écosystèmes globaux, afin de mieux comprendre comment les puits de carbone peuvent être gérés pour atténuer le réchauffement climatique.

Au cours de sa carrière, il a coordonné de nombreux projets nationaux et européens, dont notamment le programme européen d'envergure CARBOEUROPE, lancé afin de quantifier le bilan des gaz à effet de serre du continent européen.

Philippe Ciais s'est également consacré à la coordination de la mise en place de l'infrastructure de recherche européenne ICOS (Integrated Carbon Observation System), aujourd'hui structure phare de la recherche sur le changement climatique. Parallèlement, il a co-présidé le groupe de travail sur les observations intégrées du carbone (Group on Earth Observations, GEO) et a co-présidé le Global Carbon Project. Il a notamment été auteur coordinateur principal du chapitre sur le cycle du carbone et autres cycles biogéochimiques dans le Groupe de Travail 1 du 5e Rapport d'Évaluation du GIEC publié en 2013.

Philippe Ciais est l'auteur de plus de 1280 publications dans des revues de rang A au cours des 17 dernières années. Il est le chercheur le plus prolifique dans le domaine du changement climatique et le scientifique le plus cité en géosciences, avec 270 000 citations. Au cours de sa carrière, il a encadré plus de cent doctorants et post-doctorants.