Les travaux de Philippe Ciais portent sur de nombreux aspects du cycle du carbone et du rôle des écosystèmes continentaux dans le système climatique. Le caractère fondateur de ses travaux et leur influence dans la discipline sont largement reconnus en France et à l'étranger.
Il a piloté le développement d'un réseau de surveillance des gaz à effet de serre en France. Celui-ci est devenu une composante clé du Système intégré d'observation du carbone (Integrated Carbon Observation System, ICOS) dont il a coordonné la phase préparatoire en Europe. Il a été codirecteur du Global Carbon Project à l'origine du Global Carbon Atlas et auteur principal du 5e rapport d'évaluation du Giec.