张东辉主要从事化学反应动力学理论研究。发展了多原子反应量子含时波包理论方法，建立了高精度势能面构建方案，将反应动力学的精确理论研究从三原子体系拓展到多原子体系：解决了四原子反应体系量子散射问题，率先实现了一些代表性气相六原子反应的精确理论计算，解决了H2+OH, H+H2O， H/Cl+CH4等多原子动力学过程中反应物的碰撞能、量子态、振动局域模式、同位素取代等因素如何影响反应几率、产物量子态以及空间分布等科学问题。与实验同行紧密合作，在F/Cl+HD反应中发现了新的反应共振态，揭示了其准束缚态本质，并证实共振现象在振动激发态反应中广泛存在。中国科学院大连化学物理研究所杨学明院士、肖春雷研究员实验团队联合张东辉院士、张兆军副研究员理论团队通过控制分子化学键方向 ，实现了化学反应的立体动力学精准调控。相关成果2023年1月13日以长文的形式发表于《科学》杂志。