司徒塔特的研究领域主要为超分子化学和分子机器。他基于分子机械互锁结构创造性地发展出了一种全新的人工合成分子机器，有别于传统化学价键理论，该机械键概念为化学领域的进一步拓展做出了里程碑式的贡献。他与索维奇共同开拓的基于非共价键作用的模板合成法大大提高了机械互锁分子机器的合成效率。他合成出由热能驱动的分子机器原型—分子梭，以及可以对外部刺激做出响应的分子开关等。通过构筑能量棘轮，他巧妙地设计合成了可以对外做功的真正意义上的分子机器—分子泵。同时，司徒塔特将分子机器的概念拓展到了各种应用领域，比如基于分子尺寸的高密度存储器件等。此外，他不仅在分子级别上实现了如奥林匹克环、博罗米恩环等具有拓扑结构的复杂体系，还进一步将超分子化学与拓扑学进行有机结合，提出了“机械立体化学”的概念，推动了分子拓扑学在化学领域的发展。他和相关科学家的有关分子机器的工作打开了化学领域一扇新的大门，将人类“机械文明”带入到了一个全新的分子维度。因在分子机器的设计与合成方面的开拓性贡献荣获2016年诺贝尔化学奖（2016年诺贝尔化学奖揭晓！）。他是机械互锁型分子及分子机器领域的创始人和重要奠基人，迄今已在Nature、Science等发表论文1270余篇，在全球范围内被引用超过14万次，其开创性研究获得100余项国际奖项和荣誉。