Научные исследования Каныша Сатпаева охватывают в основном такие отрасли, как геология, история и культура.

Одной из самых примечательных заслуг Сатпаева в области геологии является изучение Джезказганского района и в 1930-х открыл Улутау-Джезказганское меднорудное месторождение, на момент обнаружения считавшееся крупнейшим в мире по прогнозируемым запасам. К заслугам Сатпаева также относится то, что по его поручению и под его руководством в 40-е годы в Казахстане было открыто и разработано Джездинское месторождение марганцевых руд, позволившее Советскому Союзу в годы Великой Отечественной войны выпускать броневую стали. В годы войны 70, 9 процента марганцевой руды СССР были получены на данном месторождении.

Разработанный Сатпаевым в 1950-х «Комплексный метод формационного металлогенического анализа и прогноза месторождений» был лучшим в стране по точности, и служил основой для комплексных металлогенических исследований в СССР.

В 1935 году, исследуя Джезказганскую область, Каныш Сатпаев обнаружил камень с надписью, который был оставлен Тамерланом в 1391 году, во время похода в казахскую степь. Осенью 1936 года данный камень был отправлен в Эрмитаж.

В период с 1919 по 1924 годы Каныш Сатпаев написал учебник по алгебре. Данный труд вошёл в историю как первый школьный учебник по алгебре на казахском языке.

К заслугам Каныша Сатпаева относится также то, что он привёл в науку и воспитал ряд научных кадров, впоследствии ставших крупными учёными и существенно повлиявших на развитие казахстанской науки. Одним из таких людей является учёный-энергетик Ш. Ч. Чокин. Впоследствии Чокин стал основателем казахстанской энергетической науки. Помимо Чокина, Каныш Сатпаев привёл в науку академика А. Х. Маргулана. Алькей Хаканович впоследствии стал крупным учёным-археологом и основателем казахстанской археологической науки. Сатпаев заметил талант геолога Ш. Е. Есенова, и впоследствии повлиял на то, чтобы его назначили на пост министра геологии Казахской ССР. Каныш Сатпаев также привёл в науку Е. А. Букетова, назначив его директором химико-металлургического института Академии наук Казахской ССР в 1960 году.

Помимо научных исследований и воспитания научных кадров, Каныш Сатпаев получил известность как крупный организатор науки Казахстана.

Во время войны, в целях безопасности, Президиум АН СССР вместе с многими учёными разных областей науки был эвакуирован в Алма-Ату. Каныш Сатпаев, воспользовавшись появившейся возможностью, подключил эвакуированных учёных к научной деятельности КазФАН. В результате филиал за короткое время вырос в крупный научный центр. В 1941 году, когда Сатпаев был назначен и. о. председателя Президиума Казахского филиала АН СССР, КазФАН состоял из 100 научных сотрудников, из которых 14 были кандидатами наук, и три — докторами. Однако к 1945 году КазФАН СССР насчитывал уже 500 научных сотрудников, среди которых 18 докторов наук и 44 кандидата. Через пять лет после назначения Сатпаева на должность руководителя КазФАН СССР, в 1946-м, мелкий филиал стал Академией наук Казахской ССР. К 1964 году АН КазССР стала одной из крупнейших республиканских академий в СССР.

Возглавляемый Сатпаевым в 1941—1964 годы институт геологических наук стал центром развития геологических наук Каз. ССР. К концу Великой Отечественной войны, через 4 года после его основания, институт стал одним из крупнейших научных организаций геологического профиля в стране.

Организационная деятельность Сатпаева не ограничивалась геологией. В частности, в 1957 году по его инициативе был заложен Джезказганский ботанический сад. 

К. И. Сатпаев хорошо разбирался в народных песнях и поэзии. Принимал участие в археологических и исторических исследованиях Казахстана.