Rudolf Gross forscht auf dem Gebiet der Quantenmaterie und der Festkörper-basierten Quantensysteme. Sein besonderes Interesse gilt Quantenphänomenen in supraleitenden und magnetischen Materialien. Er untersucht ferner Transport- und Quantenphänomene in nanoskaligen supraleitenden und magnetischen Bauelementen und deren Anwendung in den Bereichen Quanten-Computing, -Kommunikation und -Sensorik. Weitere wichtige Forschungsrichtungen sind die Quanten-Mikrowellenkommunikation und die Entwicklung innovativer supraleitender und magnetischer Materialien als Grundlage für die nächste Generation von Quantenbauelementen.

Nach dem Studium der Physik wurde er 1987 an der Universität Tübingen promoviert. Nach Postdoc-Stationen an verschiedenen Forschungsinstituten, darunter das Electrotechnical Laboratory in Tsukuba, Japan, und das T.J. Watson Research Center von IBM in Yorktown Heights, USA, habilitierte er sich 1993 in Tübingen. Im Jahr 1995 nahm er einen Ruf an die Universität zu Köln an und wurde dort Direktor des II. Physikalischen Instituts. Im Jahr 2000 wechselte er nach München, wo er Direktor des Walther-Meißner-Instituts der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (BAdW) wurde, das mit einem Lehrstuhl an der Technischen Universität München (TUM) verbunden ist.