Mae Martin Rees yn adnabyddus am ei gyfraniadau arloesol at ein dealltwriaeth o natur y Bydysawd. Mae uchafbwyntiau ei waith ymchwil yn cynnwys esbonio ffiseg ffurfiant a chlystyru bydysodau, cwasarau, tyllau duon, ebychiadau pelydrau gama, a’r cysonyn cosmolegol.  Gellir meintioli effaith ei ymchwil trwy gyfeirio at y nifer ryfeddol o ddyfyniadau o’i waith cyhoeddedig (dros 32,000 o ddyfyniadau, â mynegai Hirsch o dros 90).

Mae wedi sicrhau fod cosmoleg yn hygyrch i’r cyhoedd ehangach trwy gyfrwng ei lyfrau a darlithoedd niferus. Yn ogystal â’i ymchwil eithriadol ym maes cosmoleg, mae wedi bod yn un o arweinyddion doeth ac egnïol y gymuned wyddonol fel cyn-Lywydd y Gymdeithas Frenhinol a Phrifathro Coleg y Drindod Caergrawnt, a thrwy ei waith fel Seryddwr Brenhinol.

Yn 2010, fe wnaeth draddodi Darlith Reith am yr ail dro; teitl y ddarlith oedd “Goroesi’r Ganrif”,  a chafodd ei thraddodi yn Amgueddfa Genedlaethol Cymru, Caerdydd. Roedd yn canolbwyntio ar heriau amgylcheddol byd-eang. Mae hefyd wedi ysgrifennu’n helaeth am oblygiadau athronyddol cosmoleg fodern.