Som forsker er Guldbrandsen spesialist på vestlig kunstmusikk fra det 20. århundre og på opera og instrumentalmusikk fra 18-1900-tallet. Sentrale forskningsfelter er norsk musikkhistorie, norsk opera, norsk samtidsmusikk, orkestermusikk fra 18-1900-tallet, Wagners musikkdrama, Mahlers og Bruckners symfonier, samt musikk av Grieg, Debussy, Arne Nordheim, J.S. Bach og mange fler. For sin dr.avhandling om Pierre Boulez og etterkrigsmodernismen vant han H.M. Kongens gullmedalje i 1996. For et arbeid om Mahler vant han prisen «Årets Tidsskriftartikkel» 2006 på Universitetsforlaget. Han vant prisen «Årets musikkritikk» for sin anmeldelse av Wagners «Lohengrin» på Den Norske Opera & Ballett i 2015.

Guldbrandsen forsker for tiden på musikalsk framføringshistorie og innspillingshistorie, musikalsk lytting, fortolkning og estetikk. De siste fem år har han drevet et prosjekt om «musikalsk form og tid» ved RITMO – Centre for Interdisciplinary Studies in Rhythm, Time and Motion ved Universitetet i Oslo.

Guldbrandsen er en mye brukt foredragsholder for et bredere, musikkelskende publikum på festivaler, konserter og i podkaster. Han er også romanforfatter på Aschehoug Forlag.