Dahlström har særlig forsket på hvordan nerveceller lagrer og transporterer signalemner, men hun har også forsket innen mange andre forskningsområder og har totalt publisert mer 340 vitenskapelige artikler. Hun disputerte som 25-åring og ble da Sveriges yngste lege med doktorgrad. Hun var professor i histologi ved Sahlgrenska akademin fra 1983 til 2008.