Biologische membranen zijn essentieel voor alle levensprocessen. Het onderzoek van Antoinette Killian richt zich vooral op het op moleculair niveau begrijpen van structuur, organisatie en eigenschappen van membranen. Hiernaast vindt meer toegepast onderzoek plaats, o.a. aan de rol van membranen in amyloïde-gerelateerde ziekten (type II diabetes).

Het onderzoek is multidisciplinair. De methoden variëren van moleculair biologische benaderingen tot geavanceerde biofysische technieken en de te onderzoeken systemen variëren van intacte celmembranen tot artificiële, synthetische model membranen en nanodiscs.