Daarna deed Van Gils met een beurs van KWF Kankerbestrijding onderzoek aan het Amerikaanse National Institute of Environmental Health Sciences. Na haar terugkeer in 2001 ging zij aan het werk als universitair docent bij het Julius Centrum voor Gezondheidswetenschappen en Eerstelijns Geneeskunde van het UMC Utrecht. Sinds 2008 is zij daar universitair hoofddocent en sinds 2014 coördinator van het onderzoeksprogramma Kanker.

Carla van Gils is onder andere lid van de commissie Klinische Studies van de Wetenschappelijke Raad van KWF Kankerbestrijding en van de commissie Bevolkingsonderzoek van de Gezondheidsraad. Zij is ook lid van de borstkankerwerkgroep van EPIC, een groot cohort van meer dan 500.000 mensen uit 10 Europese landen, waarbinnen zij onderzoek doet naar de invloed van voeding op kanker.

Het onderzoek van Carla van Gils richt zich op de epidemiologie van kanker, in het bijzonder op oorzaken van kanker en de vroege opsporing ervan. Ze is een expert in onderzoek naar de dichtheid van borstweefsel op mammografieën. Dit is een risicofactor voor borstkanker die daarnaast ook het vroegtijdig ontdekken van borstkanker op mammografie bemoeilijkt. Veel van haar werk is gericht op het bestuderen van oorzaken van dit dichte borstweefsel en met wat voor methoden borstkanker bij deze vrouwen toch zo vroeg mogelijk kan worden opgespoord.