Zijn onderzoek richt zich op hoe menselijk gedrag door automatische emotionele processen wordt gedreven. Hij gebruikt hier verschillende technieken voor, zoals fMRI en eye-tracking, en meerdere wetenschappelijke disciplines, zoals experimentele en klinische psychologie en sociologie. Terburg toonde aan dat de amygdala, een onderdeel van het brein, niet alleen angstgevoelens oproept, maar ze ook dempt.

Momenteel is Terburg projectleider bij het onderzoek ‘The double-edged sword of defence: Fear and aggression’, met als doel de overlap en verschillen van angst en agressie in het menselijke brein in kaart te brengen.