La recerca de Carles Martín-Closas se centra en la paleobotànica i la micropaleontologia. Concretament ha treballat en la taxonomia, la paleoecologia, la biogeografia, l'evolució i la biostratigrafia de les plantes aquàtiques fòssils, principalment els caròfits. La seva tesi doctoral (Universitat de Barcelona-UB, 1990) es va dedicar als caròfits fòssils del Cretaci inferior de l'est de la península ibèrica i es va desenvolupar en gran part, gràcies a una beca predoctoral de la Generalitat de Catalunya, a l'Institut de Ciències de l'Evolució de Montpeller (França). Des de 1991 és professor titular d'universitat a la Facultat de Ciències de la Terra-UB, on imparteix i ha coordinat les assignatures Biologia i Paleontologia del Grau en Geologia, i Paleobotànica en el Màster Interuniversitari de Paleobiologia i Registre Fòssil (UB-UAB).
Ha publicat prop de 160 articles científics en revistes internacionals i espanyoles, capítols de llibre i 2 llibres, amb 100 articles indexats (Journal of Citation Records). Els resultats de la seva recerca han contribuït a una millor definició de la biozonació dels caròfits del Cretaci, Eocè i Oligocè, la correlació de biozones de caròfits amb biozones marines estàndard (foraminifers i ammonits) i la seva calibració amb l'escala del temps geològic mitjançant la magnetostratigrafia i l'estratigrafia isotòpica de l'estronci. La millora de la biozonació dels caròfits per a aquests períodes va portar a una millor resolució de l'edat i a la correlació de moltes de les seqüències estratigràfiques no marines del Cretaci inferior de la Cadena Ibèrica, el Cretaci superior dels Pirineus i l'Eocè-Oligocè de la conca de l'Ebre i les Illes Balears. Fora d'Espanya també ha contribuït al bioestratigrafia dels caròfits del Cretaci inferior de les Cadenes subalpines i el Jura (França i Suïssa), Romania, i Tunísia i el Cretaci superior de les conques de la Patagònia (Argentina) i del N de la Xina. La paleobiogeografia dels caròfits és l'objectiu principal de la seva recerca actual en col·laboració amb altres especialistes que treballen en el mateix tema amb foraminifers, ostràcodes i plantes vasculars.
Més enllà de l'estudi dels caròfits, també ha dedicat una part important de la seva recerca a la reconstrucció paleoambiental de les comunitats vegetals d'aiguamolls i llacs del Carbonífer, Cretaci i Cenozoic, mitjançant la integració de l'anàlisi de facies i l'anàlisi tafonòmica. Aquests estudis han comportat una millor comprensió dels últims aiguamolls carbonífers intramuntanyencs dels Pirineus catalans i la Muntanya Negra (França), els aiguamolls del Cretaci inferior de Las Hoyas (Conca, Espanya) i del Montsec, el Cretaci superior del Pirineu i el paleollac del Miocè de La Cerdanya.
De 2008 a 2016 va ser elegit president de l'associació internacional per a l'estudi dels caròfits actuals i fòssils (IRGC) amb més de 100 científics associats de tot el món. Des de 2005 ha estat investigador principal de 4 projectes competitius consecutius del Ministeri de Ciència i Innovació. És editor associat de la revista Geologica Acta i editor convidat d'altres revistes internacionals indexades. Ha estat director o codirector de 6 tesis doctorals relacionades amb caròfits fòssils, altres algues i plantes vasculars. Del 2010 al 2016 va coordinar el Programa de Doctorat en Ciències de la Terra de la UB. Actualment és president de la Comissió de Doctorat de la Facultat de Ciències de la Terra-UB i secretari de la mateixa facultat.
