Le domaine d'étude de Klaus Honscheid est la cosmologie observationnelle. À l'aide de grands relevés de galaxies par imagerie et spectroscopie, son groupe tente de répondre à des questions fondamentales sur l'Univers : Pourquoi l'expansion de l'Univers s'accélère-t-elle ? Comment la structure s'est-elle développée au cours de l'expansion ? Quel rôle ont joué les neutrinos ? La relativité générale est-elle valable à l'échelle cosmologique ? Il est membre des collaborations Dark Energy Survey (DES) et Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI).