张桂芬长期从事生物安全/入侵生物学研究，先后主持国家自然科学基金项目、科技部基础性工作专项课题、973计划项目课题、公益性行业（农业）科研专项课题、国家重点研发计划项目等多项重大课题。研究了本地自然天敌对新发果蔬花卉外来害虫-烟粉虱、西花蓟马等的控制作用，及其控害作用大小的定量评价；对潜在重大入侵物种/检疫性有害生物进行了长期监测，研发了系列潜在/新发/重大外来害虫/检疫性害虫快速检测技术体系15项；首次发现世界毁灭性番茄害虫南美番茄潜叶蛾入侵我国，研究了基于性信息素诱集技术、光色诱捕技术等番茄潜叶蛾绿色防控技术体系，并对其生物生态学习性、种群扩张动态、生物防治技术等进行研究。在Pest Managment Science, Envionmental Entomology, Journal of Economic Entomology, Plant Protection等杂志发表SCI论文50余篇。获授权国家发明专利20项。