La investigación de Deacon combina la biología evolutiva del hombre con la neurociencia, con el propósito de investigar la evolución de la cognición humana. Su trabajo se extiende desde el estudio de la neurobiología en el laboratorio al estudio de los procesos semióticos que subyacen a la comunicación humana y animal, especialmente el lenguaje. Muchos de estos intereses los volcó en su libro The Symbolic Species: The Coevolution of Language and the Brain (La especie simbólica: coevolución del lenguaje y el cerebro).

Su investigación neurobiológica está centrada en determinar la naturaleza de la divergencia de los humanos a partir de la anatomía típica de los primates, los mecanismos celulares y moleculares que producen esta diferencia y las correlaciones entre esas diferencias anatómicas y las habilidades cognitivas del hombre, en particular el lenguaje.

En el futuro piensa centrarse en aislar elementos de los mecanismos de desarrollo genético que distinguen al cerebro de los humanos de los de los monos. También intentará estudiar (analizar y contraponer) las consecuencias cognitivas de las diferencias del cerebro humano utilizando imágenes cerebrales.

Desde el punto de vista teórico, Deacon está interesado en desarrollar una semiótica científica que pueda contribuir con la teoría lingüística y la neurociencia cognitiva, un interés que le viene desde el siglo XIX a partir del filósofo estadounidense Charles Sanders Peirce. Su próximo libro, Homunculus, explorará justamente las relaciones entre los procesos evolutivos y los semióticos.