主要從事化學反應動力學理論研究。發展了多原子反應量子含時波包理論方法，建立了高精度勢能面構建方案，將反應動力學的精確理論研究從三原子體系拓展到多原子體系：解決了四原子反應體系量子散射問題，率先實現了一些代表性氣相六原子反應的精確理論計算，解決了 H2+OH, H+H2O, H/Cl+CH4 等多原子動力學過程中反應物的碰撞能、量子態、振動局域模式、同位素取代等因素如何影響反應幾率、產物量子態以及空間分布等科學問題。與實驗同行緊密合作，在 F/Cl+HD 反應中發現了新的反應共振態，揭示了其準束縛態本質，并證實共振現象在振動激發態反應中廣泛存在。

張東輝，男，漢族，1967年1月生于浙江省。無黨派人士，理學博士，中國科學院大連化學物理研究所研究員，分子反應動力學國家重點實驗室主任。1989年畢業于復旦大學物理系，1994年于紐約大學獲博士學位。2017年當選為中國科學院院士。2018年1月，當選政協遼寧省第十二屆委員會常務委員。

發表研究論文211篇，其中SCI收錄205篇，EI收錄109篇；總引用6426次。以唯一或共同通訊作者發表了8篇Science、5篇PNAS、2篇Nature Communications等文章, 受邀為《美國物理化學年度評論》寫綜述文章。
　　曾獲國家自然科學二等獎（排名第一），遼寧省自然科學一等獎2項，國家自然科學基金杰出青年基金獲得者，入選國家百千萬人才工程，創新人才推進計劃、遼寧省十百千高端人才引進工程層次，大連市領軍人才培養工程，大連市優秀專家；曾獲新加坡杰出青年科學家獎，新加坡國家科學獎，國家自然科學基金海外及港澳青年學者合作研究基金等獎項獎勵，多次在國內外學術會議上做大會邀請報告。