Schwerpunkt von Ursula Kellers Forschung ist Ultrakurzzeit-Laserphysik. Mit kurz gepulsten Lasern ist es möglich, extrem schnelle Phänomene zu verfolgen, wodurch etwa biologische Prozesse im menschlichen Körper oder chemische Reaktionen sichtbar gemacht werden können. Ursula Keller und ihre Forschungsgruppe entwickelten die Grundlagen für die optische und die Atto-Uhr mit immer kürzeren Pulsen von ein bis zwei optischen Zyklen. Mit der Atto-Uhr konnten die bisher präzisesten Zeitmessungen in der Atomphysik vorgenommen werden. Mit speziellen Geräten hat sie zudem die Leistung und Einsatzmöglichkeiten von Festkörperlasern gesteigert. Durch ihre Erfindung der sogenannten SESAM-Technologie (Semiconductor Saturable Absorber Mirror) wurde es möglich, mit Festkörperlasern Lichtpulse mit einer Dauer im Femtosekundenbereich, also dem millionsten Teil einer Milliardstel-Sekunde, zu produzieren. Heute findet dieses Prinzip vielfältige praktische Anwendung, sowohl in der Medizin als auch in der Industrie, Metrologie und Kommunikationstechnik.
Ursula Keller ist diplomierte Physikerin. Dem Abschluss an der ETH Zürich (1984) folgten Forschungsaufenthalte an der Heriot-Watt University Edinburgh/Schottland und der Stanford University/USA. Hier absolvierte sie zusätzlich ein Masterstudium der Angewandten Physik bevor sie 1989 – ebenfalls in Stanford – in diesem Fach promoviert wurde. Es folgte eine vierjährige Tätigkeit als „Member of Technical Staff“ in einem unabhängigen Forschungslabor bei den AT&T Bell Laboratories, bevor sie 1993 den Ruf auf eine Professur für Experimentalphysik an der ETH Zürich annahm. Diese hat sie bis heute inne. Zwischen den Gastprofessuren am Lund-Institut für Technologie an der Universität Lund/Schweden (2001) und der University of California in Berkeley/USA (2006) leitete sie von 2003 bis 2005 das Instituts für Quantenelektronik der ETH Zürich. Zudem war sie von 2007 bis 2008 Stellvertretende Leiterin der Abteilung für Physik an der ETH Zürich. Von 2010 bis 2022 war Ursula Keller Direktorin des vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) initiierten Forschungsprogramms NCCR MUST (Molecular Ultrafast Science and Technology). Seit 2008 ist sie Mitglied in der Sektion Physik der Leopoldina. 2003 nahm sie die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften auf und 2021 wurde sie Mitglied der US-amerikanischen Akademie der Wissenschaften. Für ihre Arbeit ist sie zudem mehrfach ausgezeichnet worden – u. a. mit der Ehrenmedaille der Leibniz Universität Hannover (2007), zwei ERC Advanced Grants (2012 und 2018), der SPIE Gold Medal (2020), dem European Inventor Award und mit dem Weizmann Women and Science Award (2017).
Der Schweizer Wissenschaftspreis ist mit 250.000 Schweizer Franken dotiert und wird von der Marcel Benoist Stiftung vergeben. Er gilt als wichtigste Auszeichnung für Forschende in der Schweiz. Die auch als „Schweizer Nobelpreis“ bezeichnete und schon mehr als 100 Mal verliehene Auszeichnung ging in der Vergangenheit bereits an verschiedene Leopoldina-Mitglieder. Erst 2020 erhielt ihn der Zellbiologe Ruedi Aebersold.