Les travaux de recherche de René Doyon mettent l'emphase sur le développement d'instrumentation astronomique d'avant-garde pour divers observatoires au sol et dans l'espace. Il participe aussi activement à divers programmes d'observation ciblant la recherche et la caractérisation de naines brunes, d'exoplanètes et d'étoiles jeunes de faible masse. Pour le volet instrumental, René Doyon mène divers projets d'instrumentation dans le domaine infrarouge (caméra et spectrographe) pour le télescope de l'Observatoire du Mont- Mégantic. Il participe aussi au développement du Gemini Planet Imager pour le télescope Gemini-Sud au Chili, en opération depuis 2013. Il est le co-chercheur principal de SPIRou, un spectro-polarimètre à haute résolution, optimisé pour le domaine infrarouge, pour le Télescope Canada-France-Hawaii. SPIRou est conçu pour détecter des planètes telluriques (i.e. semblables à la Terre), situées dans la zone « habitable » autour d'étoiles de faible masse du voisinage solaire. René Doyon est aussi le chercheur principal de NIRISS, l'un des quatre instruments scientifiques du télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu pour octobre 2018.

L'étude des exoplanètes vise à établir la prépondérance et la diversité des systèmes planétaires dans notre galaxie, à comprendre comment ces systèmes se forment et évoluent, à maîtriser la physique en jeu dans leur atmosphère et leur intérieur, et ultimement, à détecter des traces de vie ailleurs dans l'Univers. C’est dans cette lignée que les principaux travaux du groupe de recherche du professeur David Lafrenière s'inscrivent. Les recherches sont principalement effectuées grâces aux techniques d'imagerie directe aux longueurs d’onde infrarouges pour détecter de nouvelles planètes, pour ensuite en mesurer les propriétés physiques. Pour parvenir à "voir" ces planètes très faibles et très rapprochées de leur étoile qui est plusieurs millions de fois plus brillante, il est nécessaire de continuellement mettre au point de nouvelles techniques d'observation et de traitement d'images et même construire de nouveaux instruments. Avec la technologie actuelle, il est possible de détecter des planètes géantes gazeuses ayant des orbites de la taille du système solaire externe ou plus grandes.

En plus de l'imagerie directe de planètes, le groupe de recherche du professeur David Lafrenière s'intéresse aussi à la caractérisation des planètes de type « Jupiter chaude » en utilisant la spectro-photométrie de transit/d'éclipse et le chronométrage de transit. Les travaux du groupe sont aussi axés sur l'étude des naines brunes, sur la recherche d’étoiles jeunes de faible masse dans le voisinage solaire, et sur l'étude de la multiplicité stellaire et sous-stellaire.  David Lafrenière est le chercheur principal du projet PESTO.

L'astronomie dans l'infrarouge, à des longueurs d'onde plus grandes que 1 micromètre, est la méthode de choix pour observer :

• les objets ayant une température de surface plus basse que 3000 K, tels que les étoiles en formation, les naines brunes, ou les planètes,
• les grains de poussière et les molécules de H2, de CO, de CH4, etc. émettant dans le milieu interstellaire et circumstellaire, et
• les sources qui, aux longueurs d'onde visibles, sont cachées de notre vue par la poussière interstellaire des régions de formation d'étoiles et du plan de la Galaxie.

Par ailleurs, des centaines de galaxies émettent plus de 95% de leur radiation dans l'infrarouge. Pour aborder ce vaste domaine de recherche, nous avons développé depuis 30 ans un programme d'astronomie infrarouge à l'Université de Montréal, ce qui inclut la construction de caméras et spectromètres pour l'Observatoire du Mont Mégantic et pour le Télescope Canada-France-Hawaï. Ceci nous a amené à étudier entre autres l'émission du H2 excité par les jets supersoniques des régions de formation d'étoiles, les effets de microlentilles gravitationnelles sur les images multiples d'un quasar, et l'environnement d'étoiles proches à la recherche de compagnons de masse planétaire. Depuis quelques années, notre recherche se concentre sur la détection, l'identification et l'étude des naines brunes, ces objets dont la masse est plus grande que celle des planètes, ce qui leur permet de faire le brûlage nucléaire du deutérium, mais plus petite que celle des étoiles, ce qui les condamne à se refroidir graduellement, ne pouvant profiter de la stabilité à long terme de la nucléosynthèse des protons en hélium.