Niels Engholm Henriksen forsker i den teoretiske (kvantemekaniske) beskrivelse af molekyler med henblik på at forudsige og forklare eksperimentelle observationer i kemien. Der fokuseres specielt på molekylers dynamik i rum og tid. Dette inkluderer nye metoder til at forudsige, detektere ("filme") og kontrollere ("instruere") forløbet af kemiske reaktioner på atomar længde- og tids-skala.