Sa spécialité porte sur la compréhension des fluctuations climatiques aux échelles de temps mensuelles à décennales, ainsi que sur leur prévisibilité. Depuis 2018, il est l’un des auteurs principaux du 6^e rapport du GIEC (Groupe Intergouvernemental d’Experts sur l’évolution du Climat). Il est l’auteur de 83 publications scientifiques dans des revues à comité de lecture. Christophe Cassou est fortement impliqué dans la médiation scientifique et est l’auteur de trois ouvrages de vulgarisation sur le climat, dont un de littérature jeunesse. Il est co-fondateur des Trains du Climat. A ce titre, il fut en 2017 le co-récipiendaire du Prix « Outreach & communication » décerné par la « Société Européenne de Météorologie ».