长期以来，宋晓东以地震波观测为主要手段，探索地球内部结构及其动力学过程，在地球内核差速旋转、地核精细结构、岩石圈结构与变形等领域取得了一系列具有国际重要影响的原创性成果。1996年，他与Paul G. Richards教授合作在《自然》（Nature）发表封面论文，通过分析穿过地球内核的地震波走时随时间的变化，为内核相对于地幔和地壳的差速旋转提供了关键地震学证据。该成果被《科学》（Science）评为当年十大科学突破之一，后被《发现》（Discover）杂志评为20世纪最重要的科学发现之一。2005年，他和Richards教授领导的研究团队在《科学》（Science）发表论文，利用重复地震进一步确证了地球内核的超速旋转。围绕地球深部结构与动力学这一主线，宋晓东与合作者在内核分层结构、内核各向异性、中国及东亚地区岩石圈成像、青藏高原南部深部结构与大地震过程等方面持续取得重要进展。2023年，他与博士后在《自然·地球科学》（Nature Geoscience）发表研究，提出内核相对旋转存在数十年尺度的变化，为理解地核与地幔之间的动力学相互作用提供了新的观测依据。
