김기문 박사는 초분자화학(超分子化學 supramolecular chemistry) 분야의 세계적인 권위자로 특히 인공수용체인 쿠커비투릴(cucurbit[n]uril)과 이에 바탕을 둔 초분자체에 관한 선구적인 연구로 초분자화학 분야의 발전뿐만 아니라 나노 기술과 바이오 기술 개발에 크게 기여해 왔다. 김박사는 쿠커비투릴이라고 불리는 다양한 크기와 모양의 바구니 같은 화합물을 최초로 합성하고 이들을 이용한 분자 인지 현상을 연구하였다. 이 획기적인 연구와 더불어 다양한 쿠커비투릴 유도체를 합성할 수 있는 방법을 개발함으로써 이 화합물을 센서, 분리, 촉매, 약물전달 등 여러 분야에서 널리 활용할 수 있게 되었다.
또한 김박사는 분자간에 존재하는 약한 인력(引力)을 이용하여, 로택산(rotaxanes), 폴리로택산(polyrotaxanes), 분자목걸이 등과 같이 기계적으로 맞물린 구조를 갖는 초분자체를 합성하였는데 이는 자기조립(self-assembly)을 통해 정교한 구조를 갖는 초분자체를 손쉽게 창출할 수 있다는 좋은 예를 보여 주고 있다. 이러한 연구는 분자기계, 분자스위치에 관한 연구로 이어져 센서, 나노미터 크기의 분자소자 등을 개발하는데 기초를 제공하였다. 김박사의 또 다른 업적으로 현재 공업적으로 널리 쓰이고 있는 제올라이트(zeolites)처럼 다양한 응용가능성을 가진 금속 유기 다공성 결정물질을 개발한 것을 들 수 있다. 특히, 키랄 다공성 물질인 POST-1을 개발, 광학 이성질체를 선택적으로 합성할 수 있는 촉매가 될 수 있음을 보여 줌으로써 의약산업에서의 활용가능성을 열어 놓았다.