Kristin Rosendal forsker på hvordan internasjonale regimer knyttet til miljø og handel utvikles, iverksettes og interagerer. Hun undersøker også spørsmål knyttet til biologisk mangfold, fornybar energi, naturforvaltning, bioteknologi og genetiske ressurser. 

De viktigste forskningsinteressene hennes inkluderer Access and Benefit Sharing (tilgang til og fordeling av genressurser) og eiendomsrett til genetiske ressurser i jordbruk og havbruk, samt bioprospektering i marine områder. Ytterligere forskningsinteresser er samspillet mellom global naturforvaltning og helseinitiativer, og samspill mellom biologisk mangfold og fornybar energi. Viktige analytiske tilnærminger angår kunnskapsbasert forvaltning (samspillet mellom vitenskap og politikk i global miljøstyring).