Olivier Cappé est spécialisé dans divers aspects de l'apprentissage automatique, des statistiques et du traitement du signal. Dans un passé lointain (années 1990), il a commencé dans le domaine du traitement de la parole et du son. Plus récemment (années 2000), il a contribué aux méthodes bayésiennes, à la méthode de Monte Carlo par chaîne de Markov et à certaines applications en traitement du langage naturel. La majorité de ses travaux récents (années 2010) sont liés à l'apprentissage en ligne et aux modèles de bandits multi-armés. Depuis septembre 2021, Olivier Cappé est affilié au Centre Sciences des Données (CSD), nouvellement créé à l'ENS. Il est également directeur adjoint scientifique de la division Sciences et Technologies de l'Information (INS2I) du CNRS, où il est en charge des actions dans le domaine des sciences de l'information au sens large (sur des sujets tels que l'intelligence artificielle, la cybersécurité et l'informatique quantique).