Peter Zoller's Forschungsarbeiten sind auf den Gebieten der theoretischen Quantenoptik und Atomphysik, der Quanteninformation und der Theorie kondensierter Materie angesiedelt. Im Vordergrund steht dabei die theoretische Beschreibung realer physikalischer Systeme in enger Zusammenarbeit mit dem Experiment, wie auch interdisziplinäre Verbindungen der genannten Gebiete. Der Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten liegt in der gezielten Erzeugung, Simulation und Untersuchung neuer Quanten-Vielteilchensysteme, welche aus Atomen, Ionen oder Molekülen bestehen, oder Hybride aus optomechanischen und Festkörpersystemen sind. Darüber hinaus werden in der Forschungsgruppe neue Möglichkeiten und Protokolle für Anwendungen im Bereich der Quanteninformations– und Kommunikationstechnologie entwickelt.