Klaus Petersens forskningsområde er velfærdsstatshistorie og -politik med særligt fokus på Danmark og Norden. Han er anerkendt som en af verdens førende eksperter på den danske og nordiske velfærdsmodel, og hovedperson bag en fornyelse af forskningstilgangen til dansk og nordisk velfærdshistorie med fokus på en fusion af politisk og kulturhistorie samt brobygning mellem historiske og samfundsvidenskabelige tilgange. Klaus Petersen var med til at etablere Danish Centre for Welfare Studies som internationalt anerkendt center med en unik tværfaglig profil.