이형목 교수는 은하나 성단과 같은 많은 수의 천체로 이루어진 항성계의 역학에 관한 연구에 집중하고 있다. 

자연계에 존재하는 네 가지의 힘 가운데 많은 수의 별로 이루어진 성단이나 은하의 구조와 진화를 결정하는 것은 중력이다. 이러한 천제의 역학을 연구하기 위해 순수 이론적 접근, Fokker-Planck 방정식의 적분, 또는 직접적인 N-체 방정식의 적분 방법을 사용하고 있다. 이를 통해 밀도가 높은 성단이 어떤 역학적 진화를 겪어왔고 앞으로 어떤 방향으로 진화해 나갈 것인지를 연구하고 있다. 도 밀도가 매우 높은 별인 중성자별이나 블랙홀의 충돌을 연구하기 위해 일반 상대론적 수치 모의실험을 수행하고 있다. 중성자별이나 블랙홀로 이루어진 쌍성의 생성과정과 이들이 궁극적으로 중력파를 낼 수 있는 상태로 변해가는 과정을 연구함으로서 몇 년 앞으로 다가온 중력파 검출 시대에 대비하고 있다. 

전 사계적인 중력파 연구 그룹인 LIGO Scienntific Collaboration의 멤버로서 중력파 검출 자료 분석 연구도 수행하고 있다. 

위에 들은 이론적 연구뿐 아니라 아카리 우주망원경을 통해 관측한 적외선 자료와 다른 관측 자료를 이용해 별 탄생 은하의 물리적 특성과 우주에서의 별 탄생 역사에 대한 연구도 수행하고 있다.