Mika Kivimäki tutkiii laaja-alaisesti kansantautien riskitekijöitä. Hän johtaa tunnettua brittiläistä Whitehall II -seurantatutkimusta sekä useita monikohorttikonsortioita, joihin osallistuu epidemiologisia tutkimuksia sekä Euroopasta että Yhdysvalloista.
Kivimäen tällä hetkellä tärkein kansainvälinen tutkimushanke selvittää keski-iän elintapojen, sairauksien ja plasmaproteiinimuutosten yhteyksiä vanhuusiän dementiariskiin.
Kivimäen tutkimuksia on käytetty näyttönä muun muassa sydän- ja verisuonitautien, diabeteksen ja Alzheimerin taudin ennaltaehkäisyä koskevissa kliinisissä suosituksissa sekä Maailman terveysjärjestön sosioekonomisia terveyseroja koskevissa raporteissa.
Vuodesta 2018 lähtien Mika Kivimäki on tutkijana kuulunut maailman siteeratuimman yhden prosentin joukkoon omalla alallaan.
Valinnan Vuoden Epidemiologiksi teki Suomen Epidemiologian Seura. Valinnan perusteina on ansioituminen epidemiologian alalla sekä alan tunnetuksi tekeminen.