Профессор О.Н. Кулаева является крупным специалистом в области физиологии, биохимии и молекулярной биологии растений. Её труды внесли большой вклад в науку о гормонах растений. Она явилась основоположником в нашей стране работ по изучению механизма действия фитогормонов, их сигнальной роли на уровне клетки и целого растения. Она открыла, что гормоны растений цитокинины являются внутренним сигналом, с помощью которого корни контролируют функциональную активность надземных органов, в частности, задерживают старение листьев. Это явилось новым направлением в гормонологии растений, получившим признание и дальнейшее развитие в мировой науке.
Исследования О.Н. Кулаевой положили начало работы по гормональной регуляции старения у растений. Ей впервые удалось получить с помощью цитокининов омоложение клеток листа. В последние годы за рубежом показано присутствие цитокининов у животных и задержка с их помощью старения клеток. Это переводит проблему регуляции цитокининами старения/омоложения, над которой успешно работает О.Н. Кулаева, в общебиологическую проблему.
Фундаментальный цикл работ выполнен О.Н. Кулаевой совместно с химиками-органиками по выяснению зависимости физиологической активности цитокининов и их синтетических аналогов от структуры молекулы и были сформулированы основные критерии, определяющие цитокининовую активность соединения. Эти работы получили обобщение в книге О.Н. Кулаевой «Цитокинины, их структура и функция», за которую ей присуждена в 1976 г. Тимирязевская премия АН СССР.
В 1971 г. О.Н. Кулаева создала в ИФР РАН лабораторию экспрессии генома растений, которой заведовала 30 лет. В настоящее время она является главным научным сотрудником этой лаборатории. Под ей руководством лаборатория внесла существенный вклад в выяснение механизма действия цитокининов, был доказан транскрипционный и посттранскрипционный уровни их действия. Фундаментальные работы выполнены по гормональной и субстратной регуляции синтеза ключевого фермента азотного питания растений – нитратредуктазы. Доказано участие протеинкиназ в передаче гормональных сигналов в растении. В работах О.Н. Кулаевой и её сотрудников была открыта и изучена гормональная регуляция формирования фотосинтетического аппарата растений, активация цитокинином структурной и биохимической дифференцировки хлоропластов и её угнетение гормоном-антагонистом – абсцизовой кислотой. Установлены гены ядерного и хлоропластного кодирования, отвечающие за гормональную регуляцию биогенеза хлоропластов.
О.Н. Кулаевой и её сотрудниками открыты ядерный и хлоропластный рецепторы цитокининов, обладающие способностью в комплексе с цитокининами регулировать транскрипцию соответственно в ядерной и хлоропластной транскрипционной системах. Открытие ядерного и хлоропластного рецепторов является приоритетом отечественной науки.
Оригинальный цикл работ выполнен по действию на растение защитных препаратов, включая брассиностероиды, картолин, интерферон.
Вклад, внесённый трудами О.Н. Кулаевой в развитие учения о фитогормонах, имеет значение не только для углубления фундаментальной науки о регуляции жизнедеятельности растений, но и для разработки новых подходов для практического использования фитогормонов и созданных на их основе физиологически активных веществ.
О.Н. Кулаевой создана научная школа, являющаяся одной из ведущих в нашей стране в области науки о растениях. Её официальным признанием является присуждение грантов Президента Российской Федерации по поддержке ведущих научных школ, которые получены школой О.Н. Кулаевой в 1997, 2000, 2003 г.г.
Научное направление школы охватывает важнейшие проблемы гормонологии растений.
В общей сложности О.Н. Кулаевой опубликованы 250 работ в престижных отечественных и зарубежных журналах, включая 4 монографии (из них 2 в соавторстве).
Под её руководством защищено 38 кандидатских диссертаций и 6 докторских.
В течение 20 лет она является профессором кафедры физиологии растений биологического факультета МГУ, где читает лекции по регуляторным системам растений. Её лекции позволяют молодёжи узнать о новейших достижениях в области науки о растениях.
Она ведёт в ИФР РАН семинар по регуляторным системам растений, в котором участвуют физиологи растений из научных учреждений Москвы.
Работы О.Н. Кулаевой пользуются широким международным признанием. Они проводятся совместно с учёными Англии, Германии, Болгарии и США.