刘云圻主要从事分子材料的设计、合成，包括π-共轭小分子、高分子和石墨烯；以及这些材料在光电子器件中的应用，包括场效应晶体管和分子器件。总结发展了高性能分子材料的设计思想，提出了性能调控的新方法，发现扩展π体系是实现高迁移率的重要途径，合成了具有优异光电性能的新型π共轭分子材料。首次提出了液态铜催化剂生长石墨烯的概念，获得了高质量单晶石墨烯；制备了第一个氮掺杂的石墨烯，实现了对石墨烯电学性能的调控；开拓了在介电层上直接生长石墨烯的新方法。揭示了界面对器件性能的影响规律，开发了新的溶液法加工技术，实现了器件的多功能化，扩展了分子器件的应用范围。