贺克斌院士长期致力于大气复合污染特别是 PM2.5的研究，以高分辨率排放清单技术 - 复合污染多维溯源技术 - 多污染物协同控制技术为核心，推动区域空气质量动态调控新技术系统的发展与应用。他主持建立了中国多尺度排放清单在线技术平台，为我国空气质量管理在精细溯源和定量评估方面技术水平的提升做出重要贡献。

2017 年，他担任国家大气污染防治攻关联合中心副主任，牵头指导 2+26 城市统一编制精细化污染源排放清单，牵头组织研究提出冶金、建材、燃煤、柴油机和 VOC 等重点领域大气污染治理方案，为秋冬季空气重污染科学应对发挥关键作用，为京津冀及周边地区 PM2.5 浓度近 5 年实现 35% 以上的下降和北京实现 58 微克 / 立方米做出重要贡献。作为核心专家，他在 2016 年杭州 G20 峰会、2017 年厦门金砖国峰会等空气质量保障工作中，发挥重要作用。获国家自然科学奖二等奖 1 项、国家科技进步二等奖 3 项。