Trabaja en sistemas dinámicos, biología de sistemas, teoría del control, ingeniería del control y química teórica.
Sontag pertenece al Comité Editorial de las siguientes revistas científicas: IEE Proceedings Systems Biology (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última)., SIAM Review, Synthetic and Systems Biology, International Journal of Biological Sciences, Journal of Computer and Systems Sciences, así como al Comité Asesor de Neural Computing Surveys, y ha pertenecido a los comités editoriales de IEEE Transactions in Automatic Control, Systems and Control Letters, Dynamics and Control, Neurocomputing, Neural Networks, Control-Theory and Advanced Technology, y Control, Optimization and the Calculus of Variations.
También es cofundador y codirector editor del Springer journal: MCSS (Mathematics of Control, Signals, and Systems).
En sistemas biológicos, Sontag introdujo junto con David Angeli el concepto de sistema monótono de entrada/salida (input/output monotone system).
Sontag es un investigador ampliamente citado por la comunidad científica que ha publicado entre otros trabajos: