Pennartz doet voornamelijk onderzoek naar bewustzijn, geheugen en perceptie. Hij probeert hierbij om meer te weten te komen over de relatie tussen hersenactiviteit en waarneming.

Bovendien is Pennartz het hoofd van de Cognitive and Systems Neuroscience onderzoeksgroep aan het Swammerdam Institute for Life Sciences van de UvA. Deze groep onderzoekt de neuropsychologische mechanismen die ten grondslag liggen aan perceptie en waarneming.