Hans forskning är inriktad på interaktioner mellan substanser i födan, hormoner, cellreceptorer, arvsmassan och ämnesomsättningen. Framför allt har Gustafsson och hans medarbetare gjort upptäckter beträffande nukleära receptorer. Gustafsson har bland annat identifierat en tidigare okänd receptor för östrogenhormoner (östrogenreceptorn beta), vilket har medfört ny kunskap om östrogenernas effekter hos kvinnor