程国栋长期从事冻土学研究，被认为是中国冻土界的代表人物之一，在国际冻土界享有声誉。近十年来致力于干旱区生态水文学和生态经济学研究，多有建树。代表性的工作有：
1，从事青藏高原冻土研究40年，系统地解决了地下冰的成因、分布、制图和在其上进行工程建筑的原则和方法问题。提出了青藏线高含冰量冻土的分布规律和地表识别标志，为青藏高原上几项国家重大工程建设项目（青藏公路、格-拉输油管、热水煤矿等）提供了重要的工程地质评价，推动了中国冻土学的发展。其中，“青藏铁路冻土研究”获1978年全国科学大会科技成果奖；“青海热水煤矿路堤试验”获1978年中国科学院重大科技成果奖；“青藏公路沿线冻土研究”获1984年中国科学院科技进步一等奖（排名3）；作为主要参加者的“青藏公路多年冻土”黑色路面修筑技术”获1987年国家科技进步一等奖；在此基础上完成的专著“冻土路基工程”获1990年全国优秀科技图书二等奖（排名2）。

2，提出了近地面厚层地下冰形成的重复分凝机制，解决了冻土学中一个长期悬而未决的重大理论问题，国际上称之为“程氏假说”。为验证这一假说，加拿大学者在专门场地上进行了三年的观测试验，结论是：“野外剖面与程氏假说相符”“观测剖面支持程氏关于多年冻土区重要的近地西地下冰的形成机制”。这一假说也为以后几个国家的室内试验和野外资料所证实。该成果1993年获中国科学院自然科学一等奖（排名1）。提出的高海拔多年冻土分布的三向地带性模式，得到国际冻土界的赞同，被广为引用。应邀在国际会议上作了有关的综述报告。其中以热稳定性为基础的分带方案，近年来得到广泛应用。首次系统地评估了“气候变化对中国积雪、冰川和冻土的影响”。部分成果被中国向IPCC提交的“气候变化对中国的影响评估和对策”的国家报告所采用。这一工作对中国气候变化与冰冻圈的研究起到了重要的推动作用。

3，目前世界多年冻土区铁路的病害率在30%以上，在冻土区筑路仍是一个世界性的难题。而要考虑全球变暖，那更是难上加难。程国栋根据自然界冻土分布规律提供的启示，扬弃了依靠增加热阻保护冻土的传统观念，创造性地提出了冷却路基的新思路，并设计了通过调控辐射、调控对流和调控传导实现冷却路基的一整套技术措施。通过实体工程试验、室内模拟试验和数值模拟，证明了这些措施的有效性，并作出了理论解释，这一思路和措施得到了铁道部的高度评价，并已在青藏铁路上全面应用，开创了世界冻土区筑路史上的先河，为建成“世界一流的高原铁路”提供了保证。2004年国际冻土工程会议后，7个国家的科学家和工程师实地考察了青藏铁路，一致认为冷却路基的方法是成功的、先进的。以程国栋为主管的青藏铁路北麓河试验工程冻土路基稳定性研究组获2001-2002年度中科院重大创新贡献奖，阶段成果被列为中科院2003年知识创新工程六大重大进展之一。2005年获中国科学院杰出成就奖。

4，作为首席科学家提出并实施了以流域为单元、以水为主线、水-生态-经济复合系统的交叉集成研究框架；提出并推动了3M（Monitoring, Modeling, Manipulating）平台的建设；初步建成了“数字黑河”，为不同学科的综合集成研究提供了平台。
在国内较早关注并部署开展了干旱区生态水文学的研究，极大地推动了我国干旱区生态水文学的发展。他还大力提倡我国生态经济学的研究，由社会科学的研究为主，向自然科学与社会科学交叉的研究转型，并取得了很大的成功。他首次在国内介绍了“虚拟水”概念，并组织了这方面的研究，为解决干旱区水资源问题提供了新的思路。上述研究的阶段成果“黑河流域生态环境演变与可持续发展研究”获2001年甘肃省科技进步二等奖（排名2），“内陆河流域生态经济学、生态水文学基础研究”获2003年甘肃省科技进步一等奖（排名1）。在此基础上，参加完成了中科院的若干咨询报告，如：“西北干旱区水资源考察报告--关于黑河、石羊河流域合理用水和拯救生态问题的建议”（1995），“西部大开发中的生态环境建设和产业结构调整咨询意见”（2000）。同时，还以个人名义，通过中科院向国家提出建议，如：“黑河流域退耕还林应采用不同模式”（2003），“我国水资源安全战略的新思路及对策建议”（2003），“西部地区生态环境建设中存在的突出问题及建议”（2003）。
　　程国栋发表论著200余篇（部）。他十分重视为西部地区培养人才，己培养博士40余人，博士后15人，不少学生已成为西部地区寒、旱区科学的学术带头人。