刘运全教授团队围绕飞秒强激光作用下原子与分子的隧穿动力学、电离阈值附近的谐波辐射机制、电子关联、原子结构成像等方面开展研究，发现国际领先的实验技术，理论和实验密切配合，做出了系统性和创新性学术成果。包括在实验上发现了极低电子能谱精密结构，揭示强激光作用原子稳定化机制；从激光场隧道电离理论出发，把量子路径积分方法和经典牛顿力学方法相结合，创新性发展了一套量子蒙特卡洛理论，获得与精确求解薛定谔方程的一致结果、并进一步提出高频振荡强激光场作用下原子中电子量子隧穿的非绝热理论，解析给出了隧穿几率、隧穿位置分布以及初始隧穿电子波包动量分布等，并在巧妙实验进行验证、提出利用电子自旋轨道相互作用，获得高度自旋极化的光电子源的物理机制；提出并实现了一种改进型阿秒钟，解决了“量子隧穿是否需要时间”学术争议、实现周期量级激光脉冲的载波包络相位的调控及分子光化学反应中解离通道的调控等。这些基础研究成果促进阿秒科学、原子分子成像以及超快光场调控等研究领域的深入。部分成果入选中国光学重要成果（2011,2013）、入选2012年度中国高等学校十大科技进展、中国光学科技奖基础研究类一等奖(2018,2022)、教育部优秀科研成果奖（2020）等。