Ramanathan đã góp phần vào nhiều lĩnh vực của khoa học khí quyển. Những phát hiện lớn đầu tiên của ông là vào giữa những năm 1970 và liên quan đến hiệu ứng nhà kính của khí CFC và các khí vi lượng khác trong không khí.[4][5] Cho đến thời điểm đó, carbon dioxide được cho là khí nhà kính duy nhất chịu trách nhiệm về sự nóng lên toàn cầu. Ông cũng đóng góp vào sự phát triển ban đầu của các mô hình khí hậu như các mô hình lưu thông toàn cầu [6] và các phát hiện về biến đổi khí hậu.[7]

Sau đó ông chuyển sang tập trung vào ảnh hưởng bức xạ của những đám mây đối với khí hậu. Điều này đã được thực hiện bằng cách sử dụng thí nghiệm Ngân sách bức xạ Trái Đất (ERBE), trong đó cho thấy những đám mây có tác dụng làm mát lớn lên hành tinh.[8][9] ERBE cũng có thể đo lường hiệu ứng nhà kính mà không cần phải sử dụng các mô hình khí hậu.[10]