Elle commence par diriger le projet de compilateur SUIF (Stanford University Intermediate Format)[2], qui produit une infrastructure de compilateur largement utilisée connue pour ses optimisations de localité et sa parallélisation interprocédurale. De nombreuses techniques de compilation qu'elle y développe sont adoptées par l'industrie. Ses autres projets de recherche porte sur l'architecture et le compilateur de la machine CMU Warp, les processeurs VLIW et la machine à mémoire partagée Stanford DASH. En 1998, elle prend un congé sabbatique de Stanford pour lancer Tensilica Inc., une société spécialisée dans les processeurs configurables.
Dans un autre projet de recherche, son groupe d'analyse de programmes développe différents d'outils pour améliorer la sécurité et la fiabilité des logiciels. Ils développent un outil appelé BDDBDDB, qui permet aux programmeurs d'exprimer des analyses contextuelles en écrivant des requêtes Datalog.
En 2000, Monica Lam préside la conférence de conception et de mise en œuvre des langages de programmation ACM SIGPLAN. Elle siège au comité de rédaction de l'Association for Computing Machinery Transactions on Computer Systems et à de nombreux comités de programme pour des conférences sur les langages et les compilateurs (PLDI, POPL), les systèmes d'exploitation (SOSP) et l'architecture informatique (ASPLOS, ISCA).
