银河系的早期演化与并合研究是当代天体物理学重要前沿领域之一。银河系早期演化可以通过具有不同化学丰度的贫金属星作为探针开展研究，因此搜寻和发现这些非常稀少的极端贫金属星是一项非常重要和有意义的工作。而星流的发现则使人们相信银河系主要是通过并合附近矮星系形成的，这些矮星系被银河系强大的潮汐力瓦解形成星流。因此，星流可以为银河系形成提供关键的观测证据。理论模拟表明银河系中可能存在着几百个星流，但观测上只发现十几个运动学成团的星流。观测与理论在星流数量上的巨大差别使得银河系形成问题变得更加扑朔迷离。我们利用LAMOST巡天数据发现一批源自银河系并合过程的星流。这些新发现的星流数不仅一定程度上缩小了理论与观测的差距，而且证实了潮汐瓦解的星流在经历十几亿年的演化后仍然可以在运动学空间找到它们具有共同起源的痕迹，从而开辟了利用大型光谱巡天数据在运动学空间探测星流的新方法。利用LAMOST巡天数据，我们还发现了200余颗金属丰度不到太阳千分之一的恒星，超过目前全世界已发现的极端贫金属星半数以上，包括发现一批对银河系形成和早期演化起关键作用的特殊天体。这些恒星是记录宇宙年龄的活化石，是研究银河系早期演化的重要观测样本。
赵刚在恒星高分辨率光谱分析、晚型恒星非局部热动平衡分析、太阳系外行星系统搜寻和丰度分析、贫金属星搜寻、银河系结构和演化、实验室天体物理等领域开展了卓有成效的工作。这些工作共发表SCI论文300余篇，SCI论文引用6000余次。其大样本的系统性研究结果已成为本领域的经典工作而被写入教科书和专著。研究成果多次被评为年度十大天文科技进展，利用恒星丰度探索银河系化学演化的研究获2008年度国家自然科学二等奖，利用强激光成功模拟太阳耀斑的环顶X射线源和重联喷流的工作入选2011年度中国科学十大进展。目前其领导的研究团组已成为国际上在相关领域具有重要影响的研究队伍之一，与来自德国、日本、美国、俄罗斯、西班牙、澳大利亚等国家的天文学者保持着密切的合作。