Han forsker på hvordan trening og mosjon kan brukes som medisin, og leder forskningsgruppen K.G. Jebsen – Senter for hjertetrening (Cardiac Exercise Research Group/CERG). Denne gruppen forsker på hvilke effekter fysisk trening har på hjerte, blodårer og skjelettmuskulatur, der forebygging og behandling av hjerte- og karsykdommer er spesielt i fokus. Wisløff forsker også på fotballfysiologi, og er forskningsansvarlig for fysisk trening ved Norsk Toppfotballsenter. Han har vunnet flere internasjonale priser for sin forskning.