ศาสตราจารย์เกียรติคุณ ดร.มนตรี จุฬาวัฒนฑล ทำงานวิจัยด้านชีวเคมีของระบบสืบพันธุ์เพศชายที่ช่วยชี้นำการคุมกำเนิดวิธีใหม่ และเทคโนโลยีชีวภาพของการสืบพันธุ์ งานวิจัยเกี่ยวกับเลคติน ที่มีคุณค่าต่อการประยุกต์ในทางการแพทย์และการเกษตร ผลงานวิจัยเกี่ยวกับชีวเคมีของมันสำปะหลัง โดยค้นพบตัวยับยั้งที่ช่วยควบคุมปริมาณลินามารินซึ่งเป็นต้นเหตุของพิษไซยาไนด์ในมันสำปะหลัง โดยมีบทความที่ตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ จำนวน 57 เรื่อง ตำราและบทความวิชาการ 9 เรื่อง เป็นผู้แต่งตำรา "ชีวเคมี" "วิถีเมตาบอลิสม" และ "เมตาบอลิสม" ได้รับการนิยมใช้แพร่หลายในมหาวิทยาลัยทั่วประเทศ