薛贵教授主要从事人类学习和记忆的认知和神经机制研究，运用多种人脑研究手段和人工智能深度学习等技术揭示人脑认知能力结构、有效学习机制，以及人脑记忆的动态和交互特征。发展了有效学习的“神经激活模式再现”理论，并致力于把脑科学的最新研究成果运用于中小学生学习能力的测评和提升，人才的选拔和培训，以及神经和精神疾病的诊断和治疗。主持或共同主持国家自然科学基金重点项目（2011，2018）、973课题、中以国际合作项目，中德合作项目等。在Science，PNAS，Trends in Cognitive Science，Science Advances，Nature Communications，Current Biology，eLife，Journal of Neuroscience，Cerebral Cortex等国际SCI学术刊物上发表100多篇具有影响力的学术论文，入选爱思唯尔中国心理学高被引学者（2019，2020），入选教育部长江学者特聘教授（2012）。获教育部自然科学一等奖（2013，2019）。