Susan Trumbore erforscht die Wechselwirkungen zwischen Biosphäre, Atmosphäre und Klima, insbesondere die Prozesse und Rückkopplungen, die Treibhausgase beeinflussen. Ihre Kernkompetenz liegt in der Anwendung von Radiokohlenstoff und stabilen Isotopen auf Fragen der Ökologie, der Bodenbiogeochemie und des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs. Ihr übergeordnetes Forschungsziel ist es, die Rolle der terrestrischen Biosphäre im globalen Kohlenstoffkreislauf zu verstehen, indem die Verweildauer von Kohlenstoff in Ökosystemen quantifiziert und die Prozesse verstanden werden, die beobachtete Alters- und Verweildauervariationen erklären. Sie untersucht Ökosysteme, die potenziell stark, aber unsicher auf den Klimawandel reagieren, darunter tropische Wälder und Trockengebiete. Trumbore leitet den deutschen Teil des deutsch-brasilianischen ATTO (Amazon Tall Tower Observatory)-Programms, das die Wechselwirkungen zwischen intakten Tropenwäldern und der Atmosphäre untersucht.

Trumbore ist Direktorin am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, Professorin (20%) für Erdsystemwissenschaften an der University of California, Irvine und Honorarprofessorin am Institut für Geowissenschaften der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Sie ist Fellow der Geochemical Society, der American Geophysical Union und der American Association for the Advancement of Science sowie Mitglied der US National Academy of Sciences, der Leopoldina (Deutsche Akademie der Wissenschaften) und der Academia Europeae (Europäische Akademie der Wissenschaften). Sie ist die Gründungs-Chefredakteurin der wissenschaftliche Zeitschrift AGU Advances.