Cercetările lui Nicolaou se concentrează asupra sintezei chimice, structurii moleculare şi recunoaşterii moleculare, precum şi asupra acţiunilor biologice ale moleculelor.
Nikolauova istraživačka interesovanja usmerena su na hemijske sinteze, molekularni dizajn i molekularno prepoznavanje, kao i na biološke reakcije molekula.