Marton Katalin a Rényi Alfréd által alapított magyar információelméleti iskola kiemelkedő képviselője volt, amely nem utolsósorban az ő munkássága révén emelkedett a témakör kutatásának nemzetközi élvonalába.

Az információelmélet (akkor) korszerű módszereit 1969-es moszkvai tanulmányútja során Dobrusintól sajátította el, majd az 1970-es években bekapcsolódott a többfelhasználós hírközlési modellekre vonatkozó legújabb kutatásokba. E területen számos alapvető eredmény fűződik a nevéhez, legismertebb a „broadcast channel” kapacitástartományára vonatkozó „Marton inner bound”. Ezt több mint 40 éve nem sikerült javítani, sem azt bebizonyítani, hogy éles.

Fontos eredményeket ért el az információelmélet kombinatorikával, illetve ergodelmélettel való kölcsönhatása terén is, az 1990-es évektől pedig a mértékkoncentráció és a logaritmikus Szoboljev-egyenlőtlenségek elmélete volt a fő kutatási területe. E témában információelméleti eszközöket felhasználó új módszereket dolgozott ki és alkalmazott eredményesen. Legismertebb a valószínűségeloszlások Ornstein-féle távolsága és Kullback-féle I-divergenciája közötti „Marton inequality”. Ezt felhasználva, először ő tudott mértékkoncentrációt bizonyítani Markov-láncokra.

Marton Katalin kiemelkedő eredményeit megérdemelt nemzetközi siker övezte. Az IEEE Information Theory Society 2013-ban ítélte oda neki a többfelhasználós információelmélet terén elért eredményeiért a tudományág egyik legmagasabb presztízsű kitüntetését, a Claude E. Shannon-díjat.

A Magyar Tudományos Akadémia 2013-ban Eötvös-koszorúval tüntette ki.

Munkatársai nemcsak mint kiváló matematikust, hanem mint szerény, becsületes embert is tisztelték és szerették, így fog emlékezni rá a matematikusok közössége.