Marat Gilfanov doet onderzoek op het terrein van hoge-energie-astrofysica en röntgenastronomie. Zijn interesse gaat onder meer uit naar de fysica van accretie (wanneer materie van een begeleidende ster in een dubbelstersysteem wordt aangetrokken door de zwaartekracht van een neutronenster of een zwart gat), de interactie tussen materie en straling onder extreme astrofysische omstandigheden (van hoge temperatuur en druk, sterke zwaartekracht en hoog-magnetische velden) en de spectrale formatie nabij zwarte gaten en neutronensterren.

Gilfanov bestudeert röntgen-dubbelsterren, populaties van accreterende neutronensterren en zwarte gaten in de Melkweg en andere sterrenstelsels. Ook verkent hij de eigenschappen van systemen die supernova’s van het type Ia (supernova’s waarvan wordt aangenomen dat ze het gevolg zijn van explosies van wittedwergsterren) voortbrengen, waarbij hij gebruikmaakt van de verschillende elektromagnetische kenmerken van hun vroege (‘pre-supernova’) ontwikkeling en hun impact op de omgeving. Gilfanov richt zich in zijn onderzoek tevens op het tijdperk van herionisatie (de begintijd van het heelal) en op de grootschalige structuur van het heelal.

Gilfanov is sinds 1996 werkzaam aan het Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching (Duitsland), tegenwoordig als onderzoeksgroepleider. Daarnaast is hij leading scientist bij het Space Research Institute van de Russian Academy of Sciences. Hij was verschillende perioden als gastonderzoeker verbonden aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (VS). Gilfanov publiceerde meer dan 300 artikelen in wetenschappelijke tijdschriften, waaronder Nature, Astronomy & Astrophysics, The Astrophysical Journal en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.