Prof. Grzegorz Sęk zajmuje się różnymi aspektami fizyki nanostruktur, w szczególności optycznymi i elektronicznymi własnościami nowych rodzajów kropek kwantowych oraz ich zastosowaniami w nanofotonice, np. w źródłach pojedynczych fotonów dla bezpiecznej komunikacji kwantowej. Jego zainteresowania naukowe obejmują także nowe materiały i struktury półprzewodnikowe dla optoelektroniki w podczerwieni czy też elektrodynamikę kwantową w ciele stałym i badanie fundamentalnych zjawisk dotyczących kondensatów quasi-cząstek łączących w sobie cechy światła i materii, tzw. polarytonów ekscytonowych. Jest laureatem wielu nagród, w tym Nagrody Naukowej Polskiego Towarzystwa Fizycznego im. Wojciecha Rubinowicza (2017 r.)