Les recherches de Sophie GAMBARDELLA s'inscrivent dans le domaine du droit international de l'environnement. Son regard se porte plus spécifiquement sur la gestion internationale des ressources biologiques marines. La plupart de ses travaux ont comme point de convergence une réflexion sur la « défragmentation » du droit international de l’environnement. Sa volonté est de comprendre la construction dichotomique du droit de la mer, dont résulte la coexistence d’une logique de conservation et de préservation ; de réfléchir à la manière dont le droit de l’environnement marin s’articule avec les autres branches du droit international ; et de penser les rapports entre science et droit dans le domaine de la conservation de la biodiversité marine.

Ses domaines de recherche se rattachent donc au droit international public, au droit international de l'environnement, au droit de la mer, à la relation entre sciences et droit, à l'expertise scientifique et à la protection de la biodiversité.