Ses travaux portent sur la culture expérimentale, visuelle et matérielle des sciences modernes. Il est l’auteur de plusieurs ouvrages majeurs, dont How Experiments End (1987), Image and Logic: A Material Culture of Microphysics (1997), Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps (2003, trad. fr. : L’Empire du temps. Les horloges d’Einstein et les cartes de Poincaré, Gallimard, 2006) et Objectivity (2007, avec Lorraine Daston ; trad. fr. : Objectivité, Les Presses du Réel, 2012).

Parallèlement à son œuvre académique, Peter Galison réalise des films documentaires qui interrogent la mémoire, la temporalité et les imaginaires politiques de la science. Containment (2015), coréalisé avec Robb Moss, explore la question du stockage des déchets radioactifs sur dix mille ans : comment prévenir les civilisations futures des dangers enfouis ? Son dernier film, Black Holes | The Edge of All We Know (2020), suit la collaboration scientifique qui a conduit à la première image d’un trou noir.