Rahmstorf ist Autor oder Co-Autor von rund 110 wissenschaftlichen Publikationen in internationalen Fachzeitschriften, davon mehr als 40 in Nature, Science und PNAS.[6] Sein h-Index beträgt 79 (Stand Januar 2023).[15]
Nach anfänglicher Arbeit zur Gravitationsphysik[16] (allgemeine Relativitätstheorie) wurde Rahmstorf in den 1990er Jahren durch eine Reihe von Studien zur Stabilität des Nordatlantikstroms international bekannt, die eine Erklärungshypothese für abrupte eiszeitliche Klimawechsel in der nördlichen Hemisphäre wie die Dansgaard-Oeschger-Ereignisse lieferten.[17][18] 1998 war er an der ersten erfolgreichen Ozean-Atmosphärensimulation des Klimas auf dem Höhepunkt der letzten Eiszeit beteiligt.[19] Im Jahr 1999 publizierte er Szenarien über mögliche zukünftige Änderungen der Strömungen im Nordatlantik infolge der globalen Erwärmung.[20] In der Fachzeitschrift Nature Climate Change berichtete Rahmstorf im März 2015 gemeinsam mit Klimaforscher-Kollegen über neue Erkenntnisse bezüglich einer Abschwächung des Nordatlantikstroms. Die Warmwasserströmung habe sich in den vergangenen Jahrzehnten um bis zu 30 Prozent verlangsamt, wobei die relativ schwächste Strömung zu Anfang der 1990er Jahre aufgetreten sei. Seit über 1000 Jahren habe es ein solches Nachlassen nicht mehr gegeben.[21]
Seit 2007 hat Rahmstorf vor allem zu Veränderungen des Meeresspiegels in Vergangenheit und Zukunft geforscht.[22][23] Seit 2009 war er zudem an mehreren Studien beteiligt, die den Zusammenhang von Extremwetter und Klimawandel erhärten.[24][25]
Als Mitglied des WBGU war Rahmstorf an mehreren Gutachten beteiligt, die breite Diskussionen ausgelöst haben, unter anderem zu den Meeren (2006), zur Bioenergie (2008) und zum Gesellschaftsvertrag für eine Große Transformation (2011). So riet das Bioenergie-Gutachten wegen deren mangelnder Effizienz und deren Bedrohung für die Ernährungssicherheit von einer Förderung von Biotreibstoffen ab, was zur späteren Kehrtwende der EU-Bioenergiepolitik beitrug.[26] Die Universität Flensburg stellte fest, dass Rahmstorf für die Jahre 1994–2013 der deutsche Klimaforscher mit den meisten Top-Publikationen in der Fachliteratur ist.[27]
Zum Thema globale Erwärmung engagiert sich Rahmstorf auch öffentlich. Er ist ein Mitbegründer des RealClimate-Blogs,[28] der 2006 von der Fachzeitschrift Nature unter die Top 5 der Wissenschaftsblogs gewählt[28] und vom Time Magazine 2008 zu den 15 besten Umweltseiten[29] gezählt wurde. Er ist Mitbegründer des deutschen Klimablogs KlimaLounge,[30] der 2013 zum Wissenschaftsblog des Jahres nominiert wurde.[31]
Rahmstorf hat, teils mit Ko-Autoren, vier populärwissenschaftliche Bücher zu Wetter, Klima und Meeren geschrieben, von denen einige in mehrere Sprachen übersetzt wurden. Sein Buch Wolken, Wind & Wetter (DVA 2011), wurde im Februar 2012 auf die Deutschlandfunk-Bestenliste für junge Leser gewählt[32] und von der Deutschen Umweltstiftung zum Umweltbuch des Jahres gekürt.[33][34][35]
In den Medien hat sich Rahmstorf vielfach zu Klimathemen geäußert.[36][37][38][39] Seine in Tageszeitungen veröffentlichten Artikel zu Klimathemen werden gelegentlich über Project Syndicate international vertrieben.[40] In der Umweltzeitschrift Zeo2 schreibt er seit der Erstausgabe eine regelmäßige Kolumne.[41] Die Verleihung des UmweltMedienpreises an Rahmstorf 2007 wurde in den ARD-Tagesthemen ausführlich gewürdigt.[42] Die Financial Times bezeichnete ihn im Jahr 2009 als führenden Klimatologen.[43]
mit Thomas F. Stocker: Thermohaline Circulation: Past Changes and Future Surprises? In: Will Steffen, Angelina Sanderson, Peter Tyson, Jill Jäger, Pamela Matson, Berrien Moore III, Frank Oldfield, Katherine Richardson, Hans Joachim Schellnhuber, B. L. Turner II, Robert J. Wasson: Global change and the earth system. A planet under pressure. Springer, Berlin u. a. 2004, ISBN 3-540-40800-2, S. 240–241 (PDF; 402kB)
mit Frank Sirocko: Modes of Oceanic and Atmospheric Circulation during the Quaternary. In: Hans Joachim Schellnhuber, Paul J. Crutzen, William C. Clark, Martin Claussen und Hermann Held (Hrsg.): Earth System Analysis for Sustainability. The MIT Press, 2004, ISBN 0-262-19513-5, S. 129–142 (PDF, 188 kB)
Global climate change: What can we learn from the past? In: Gerd Winter (Hrsg.): Multilevel Governance of Global Environmental Change. Perspectives from Science, Sociology and the Law. Cambridge University Press, 2006, ISBN 0-521-85261-7, S. 67–76.
Der Anstieg des Meeresspiegels. In: Michael Müller, Ursula Fuentes und Harald Kohl (Hrsg.): Der UN-Weltklimareport. Berichte über eine aufhaltsame Katastrophe. Kiepenheuer und Witsch, Köln 2007, ISBN 978-3-462-03960-3, S. 190–194.
Rapid climate transitions in a coupled ocean-atmosphere model. In: Nature. Band 372, 1994, S. 82–85, doi:10.1038/372082a0 (PDF; 0,5 MB).
Bifurcations of the Atlantic thermohaline circulation in response to changes in the hydrological cycle. In: Nature. Band 378, 1995, S. 145–149, doi:10.1038/378145a0 (PDF; 0,7 MB)
Risk of sea-change in the Atlantic. In: Nature. Band 388, 1997, S. 825–826 (PDF; 0,4 MB)