Kari Alitalon keskeisiä tutkimuskohteita ovat syövän syntymekanismit ja erityisesti imusuoniston merkitys syöpäkasvaimen leviämisessä sekä uusien täsmällisempien hoitostrategioiden tunnistaminen syövän kasvun ja leviämisen estämiseksi. Hän on löytänyt uusia veri- ja imusuoniston kehitystä sääteleviä kasvutekijöitä ja reseptoreita.
Alitalo toimii johtajana Wihurin tutkimuslaitoksessa, jossa seitsemän tutkimusryhmää tutkii sydän-, verisuoni- ja imusuonitautien syntymekanismeja. Tutkimushankkeissa perehdytään siihen, miten esimerkiksi verenkierron kohonneet rasva-arvot, liikalihavuus ja siihen liittyvä aineenvaihdunnan häiriö ja kudostulehdus vaikuttavat suoniin ja monien sairauksien syntyyn.
Alitalo on myös tieteellinen johtaja monialaisessa Digitaalisen yksilöllistetyn syöpälääketieteen lippulaivassa (iCAN Digital Precision Cancer Medicine Flagship), jonka toiminnan tavoitteena on tukea yksilöllisten syöpähoitojen kehittämistä sekä uusien terveysalan innovaatioiden syntyä.
Alitalon mukaan biolääketieteellisen tutkimuksen tekijät näkevät pandemiatilanteessa monia muutoksia, jotka heijastuvat tutkimustyöhön ja tieteellisen tiedon rooliin yhteiskunnassa ja päätöksenteossa.
– Tiedeyhteisö on aktivoitunut nopeasti pandemiatilanteessa ja pystynyt verkostojensa kautta hyödyntämään monipuolista tieteellistä osaamistaan kriisivaiheessa. Tieteellisen tiedon merkitys korostuu kriisivaiheen päätöksenteossa, ja se edellyttää tutkimuksen johtopäätösten käytäntöön viemistä politiikan myllerryksessä ja sanoman perille saamista globaalisessa viestinnässä, Alitalo toteaa Suomen Akatemian tiedotteessa.
Kari Alitalo on johtanut Helsingin yliopiston syöpäbiologian ja -lääketieteen tutkimusohjelmaa vuodesta 1999 alkaen. Hänet nimitettiin Turun yliopiston lääketieteellisen biokemian professoriksi 1986, Suomen syöpäinstituutin tutkijaprofessoriksi 1987 ja Helsingin yliopiston syöpäbiologian professoriksi 1989. Alitalo nimitettiin pysyväksi akatemiaprofessoriksi vuonna 1993 ja hän toimi tehtävässä yhtäjaksoisesti 31.5.2020 asti.
Alitalo on julkaissut yli 500 tieteellistä alkuperäisartikkelia biolääketieteen, syöpätutkimuksen, molekyylibiologian ja solubiologian aloilta. Niihin on viitattu yli 80 000 kertaa. Hän on saanut useita kotimaisia ja kansainvälisiä kunnianosoituksia ja palkintoja muun muassa lääketieteen varttuneen tutkijan Anders Jahre -palkinnon vuonna 2010 (Norja), Suomen tiedepalkinnon vuonna 2013 sekä Antonio Feltrinelli -palkinnon vuonna 2019 (Italia).
Tieteen akateemikon arvonimi voi olla samanaikaisesti kuudellatoista erittäin ansioituneella suomalaisella tieteentekijällä. Arvonimen myöntää tasavallan presidentti Suomen Akatemian esityksestä.