Charpentier er en ledende forsker på regulering av mekanismer som styrer infeksjonsprosesser og immunitet av sykdomsfremkallende bakterier. Hennes forskning fokuserer på molekylærbiologisk forskning om infeksjonssykdommer og genregulering med hjelp av (bakteriell) ribonukleinsyre (RNA). Charpentier forsker på patogene bakteriers evne til å forsvare seg mot fremmende DNA som invaderer bakteriecellen for eksempel gjennom bakteriofagers aktivitet. Det var i sin tid som gruppeleder ved MIMS i Umeå som Charpentier – delvis i et forskningssamarbeid med Jennifer Doudna ved University of California i Berkeley i USA – oppdaget mekanismene bakom CRISPR/Cas9-systemet, noe som førte til utviklingen av et verktøy – ofte kalt en «genteknisk saks» – som gir forskere mulighet til å redigere og endre organismers DNA.