Ze onderzoekt het gedrag van mensen in organisaties met een focus op sociale veiligheid, diversiteit en inclusie en ethisch gedrag op de werkvloer. Haar experimenten waarin ze hersenactiviteit en stress in kaart brengt, combineert ze met observaties bij mensen op het werk. Ze kijkt naar het vraagstuk hoe het is om als vrouw, Nederlander van kleur en/of queer persoon carrière te maken. Ook onderzoekt ze hoe mensen zich laten leiden door het ethische klimaat op hun werk, bijvoorbeeld in de financiële sector. 

Ellemers ontving voor haar werk de Spinozapremie en is lid van de Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen (KNAW). Ze was voorzitter van de KNAW commissie die advies uitbracht over sociale veiligheid in de wetenschap en lid van de Commisie Van Rijn, die onderzoek deed naar het gedrag en de cultuur binnen de Nederlandse Publieke Omroep. Daarnaast is ze één van de initiatiefnemers van het Nationaal Integratiefonds en van Athena's Angels, een verband van vier vrouwelijke hoogleraren dat zich richt op de belangen van vrouwen in de wetenschap. 

Ze heeft meerdere boeken uitgebracht waarin ze haar onderzoek binnen de sociale- en organisatiepsychologie voor een breed publiek beschikbaar maakt. Zo is ze co-auteur van de boeken 'Je werkt anders dan je denkt' over misconcepties over de manier waarop we werken en 'De voorbeeldige organisatie' over de hardnekkigheid van ongewenst gedrag op de werkvloer.