Thea Peetsma doet onderzoek naar de ontwikkeling van motivatie van leerlingen, in het bijzonder naar de afnemende motivatie voor school van adolescenten. De rol van het tijdsperspectief, specifiek het toekomstperspectief, van leerlingen voor hun inzet bij leren heeft daarbij haar aandacht.  

Peetsma heeft evaluaties uitgevoerd van vernieuwingen in het onderwijs met een beoogd motiverende rol voor leerlingen. Daarnaast heeft ze  een interventie ontwikkeld voor de motivatie van leerlingen voor leren. Nu en in de komende jaren is haar onderzoek meer gericht op differentiatie tussen leerlingen en op een verdieping van de motivationele processen, waardoor ook interventies zo passend mogelijk zouden kunnen worden aangeboden.    

Peetsma is sinds 2011 voorzitter van de Afdeling Pedagogiek, Onderwijskunde en Lerarenopleiding (POWL) aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast is zij directeur van de  PhD-Training van de Graduate School of Child Development and Education. Zij was van 1994 tot 1998 programmaleider van de programmalijn 'Onderwijs- en opvoedingsmoeilijkheden' van het SCO-Kohnstamm Instituut van de UvA. Daarna was ze tot eind 2009 onderzoekcoördinator van de Divisie Fundamenteel Onderzoek van dit instituut.

Peetsma is lid van de editorial board van Educational Research Review en van  Learning and Instruction, waarvan ze eerder associate editor was en ze is al lange tijd actief in de  European Association for Research on Learning and Instruction (EARLI).