W początkach pracy naukowej badała trylobity ordowiku i dewonu Europy Środkowej, a także skolekodonty. W latach 1963–1971 była organizatorem i kierownikiem serii polsko-mongolskich wypraw paleontologicznych, które na pustyni Gobi dokonały odkryć szeregu nowych gatunków dinozaurów i pierwotnych ssaków z epoki późnej kredy. Łącznie ekspedycje odnalazły około 180 ssaków, co stanowiło wówczas najbogatszy istniejący zbiór ssaków z okresu kredowego (próg ten przekroczyły później ekspedycje, na których czele stali Amerykanie Michael J. Novacek i Mark Norell).
Ze skał kredy, ale także paleogenu, pozyskano również cenne okazy krokodyli, jaszczurek, żółwi i ptaków. Opracowania tych znalezisk trwają do dziś i ukazują się w czołowych światowych pismach i monografiach. W czasie ekspedycji mongolskich głównym tematem badawczym Kielan-Jaworowskiej stały się prymitywne ssaki (wieloguzkowce) i w zakresie badań nad pierwotnymi ssakami została jednym z czołowych specjalistów na świecie. Opublikowała przeszło 220 artykułów naukowychBiogram w książce: Kielan-Jaworowska Z., 2013: W poszukiwaniu wczesnych ssaków. Wyd. Uniw.