体的材料、器件和物理进行了系统研究。开创和参与研制太阳能电池、温差电致冷器、半导体高能粒子计数器以及硫化铅、热敏电阻型、锑化铟、锗掺汞和碲镉汞等红外探测器，其中许多器件已成功应用在空间遥感和军事探测等装备中。汤定元撰写有《红外技术——基础与应用》、《天坛中的几个建筑物声学问题》等科普着作。