Ellis ist beobachtender Astronom, der sich besonders mit der Evolution früher Galaxien und großer Strukturen im Kosmos befasst. Er war Mitglied der Supernova Cosmology Project, das die Beschleunigung des Universums feststellte, wofür dessen Leiter Saul Perlmutter 2011 den Nobelpreis erhielt. Ende der 1990er Jahre war er an der Morphs Collaboration beteiligt (unter anderem mit Alan Dressler), die die Entwicklung verschiedener Formen von Galaxien untersucht. Er erforscht frühe Sterne und Galaxien, unter anderem mit Gravitationslinseneffekten und dem Hubble Space Telescope und dem Keck Observatory.
Er spielte eine wichtige Rolle in der Vorbereitung zum geplanten Thirty Meter Telescope.
