L'objet de ses recherches est de quantifier les variations climatiques passées, en comprendre les mécanismes et utiliser ces informations pour évaluer les modèles de climat et la confiance dans les projections d'évolutions futures. Elle a notamment participé à deux programmes internationaux qui ont permis de caractériser la variabilité du climat du Groenland au cours des 130.000 dernières années. Elle a ainsi caractérisé les mécanismes d'amplification polaire et la contribution de la calotte du Groenland au haut niveau marin de la dernière période interglaciaire, en réponse aux variations de l'orbite de la Terre. Beaucoup de questions restent cependant ouvertes pour comprendre l'ensemble des variations climatiques passées, en particulier les changements abrupts et leurs implications pour l'évolution future du climat. 

Valérie Masson-Delmotte a reçu de nombreux prix et distinctions, parmi lesquels :

• Top 10 des scientifiques qui ont le plus marqué le monde en 2018 par le journal Nature
• Prix Martha T. Muse 2015 for Science and Policy in Antarctica, décernée par le Comité scientifique sur la recherche en Antarctique, au nom de la Fondation Tinker
• Prix Irène Joliot-Curie de 2013 dans la catégorie « femme scientifique de l'année »
• Prix d'excellence scientifique de l'UVSQ (2011)
• Prix Descartes de la Commission européenne pour la recherche collaborative transnationale (Epica, 2008)
• Prix Louis D. de l'Institut de France (obtenu de façon collective avec le thème climat du LSCE, 2004)
• Grand prix Étienne Roth de l'Académie des sciences avec Françoise Vimeux (2002)

La médaille d'argent du CNRS distingue des chercheurs pour l'originalité, la qualité et l'importance de leurs travaux, reconnus sur le plan national et international.