Oddbjørn Leirviks primære forskningsfelt er islam og kristen-muslimske relasjoner, religionsdialog, religionsteologi, flerkulturell etikk og religion og politikk. Engasjementet knyttet til kristen-muslimske relasjoner begynte allerede når han jobbet som prest i Oslo på slutten av 1980-tallet. Før han i 1996 ble stipendiat på TF var han fra 1993 leder for dialogsenteret Emmaus. Leirvik har siden begynnelsen av 1990-tallet vært en sentral person i de kristen-muslimske dialogmiljøene i Norge, og var blant annet leder for og medlem av Kontaktgruppa for Mellomkirkelig Råd og Islamsk Råd Norge.
Ved fakultetet har han vært sentral i oppbyggingen av forsknings- og studiefeltet Interreligiøse Studier, blant annet som prosjektleder for Interreligiøse Studier og programleder for master- og bachelorprogrammene i Religion og Samfunn. Han har også vært leder for Universitetets tverrfaglige forskningsområde Religion i Pluralistiske Samfunn (PluRel).