Stenseth har bidratt på flere områder av biologien, blant annet ved å klarlegge hvordan og hvorfor dyrebestander svinger over tid. Han har også forsket på gaupas kår i Canada og på sammenhengen mellom klimavariasjoner og genetiske forskjeller innen en dyreart. I de senere år har Stenseth undersøkt forholdet mellom klimaendring og forekomst av pestbakterien Yersinia pestis. Han og hans kolleger har blant annet funnet at én grads temperaturøkning om våren kan øke antallet pestbakterier hos ørkenrotter med opp til femti prosent. Dermed kan også risikoen øke for at mennesker smittes.