Simone Dalla Bella s’intéresse aux mécanismes cognitifs et neuronaux qui déterminent la perception et la performance musicales. Sa recherche a porté sur les habiletés musicales, telles que la perception et la production de la hauteur et du rythme, dans la population générale ainsi que chez les individus avec des déficits musicaux (surdité musicale quant à la hauteur ou au rythme). Sa recherche actuelle est centrée sur 1) l’évaluation et le profilage des capacités rythmiques chez les individus en santé et dans les populations cliniques (patients avec la maladie de Parkinson, TDAH) et 2) l’usage de la stimulation et de l’entraînement rythmique pour améliorer les habiletés motrices (ex: la démarche et la parole chez les patients de la maladie de Parkinson). Il utilise des méthodes comportementales, la capture de mouvement, l’EEG, et exploite des nouvelles technologies portables qui servent à l’évaluation et à l’entraînement.

J'étudie des mécanismes d'analyse sonore dans le cerveau humain avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, l'électroencéphalographie, et des tests psycho-acoustiques.

Sa recherche couvre tous les aspects du traitement des informations auditives chez l’humain, qu’il s’agisse de l’étude des propriétés fonctionnelles et structurelles du cortex auditif, de la différence entre ces propriétés selon l’hémisphère, et des changements qu’entraînent la formation ou une perte sensorielle. Son laboratoire a recours à l’IRM fonctionnelle et structurelle, à la magnétoencéphalographie (MEG) et à l’électroencéphalographie (EEG), à des techniques de stimulation du cerveau, ainsi qu’à des mesures cognitives et psychophysiques. En 2006, il a fondé le laboratoire international de recherche sur le cerveau, la musique et le son BRAMS, qu’il codirige; il s’agit d’un consortium multi-universitaire unique en neuroscience cognitive de la musique, doté d’installations de pointe. En 2011, on lui a attribué le Prix annuel Plasticité Neuronale de la Fondation IPSEN. En 2013, il a reçu le Prix Knowles en recherche sur l’ouïe de l’Université Northwestern, et en 2017, il a été élu à la Société royale du Canada.