汤鸿霄院士长期从事环境水质学、环境工程学和用水废水处理技术的科学研究及教学工作。开拓我国“用水废水工程化学”和“环境水化学”学科领域，并主要进行水质界面化学、水体颗粒物、吸附絮凝理论和工艺技术研究、以及无机高分子絮凝剂的开发和生产工艺研究。同时，还开展了水体重金属污染、形态及生态效应、环境容量及水质模拟模式，有机有毒物的深度化学氧化等方面研究，为在我国建立此前沿领域做出重要贡献。创建了“环境水质学国家重点实验室”。先后到国外多次访问、合作研究，会议报告，开展国际学术交流活动。历年参加及主持蓟运河汞污染、湘江镉污染、鄱阳湖铜污染的评价防治研究，有机有毒物的吸附、光催化降解，酸雨水化学及水质模式计算研究。在无机高分子絮凝剂的理论、开发、生产及应用工艺的多年系列研究中作出重要成果。多年参加中国工程院全国及西北水资源可持续发展战略研究工作。近期主要集中于环境微界面理论与模式计算以及水体颗粒物、污染沉积物、无机高分子絮凝剂等环境纳米颗粒物及污染物的微界面过程和高效水处理工艺等方面研究。