Niemen tutkimustyön kohteena ovat olleet ylivelkaantumistilanteiden sääntely, oikeudenkäyntimenettely ja sukupuolistunut väkivalta. Hänen väitöskirjansa koski velkajärjestelylainsäädäntöä. Hän on mukana alan eurooppalaisissa tutkimushankkeissa ja kansainvälisissä tutkijaverkostoissa. Vuosina 1998–2004 hän johti kahta tutkimushanketta, joissa analysoitiin sukupuolistuneen väkivallan tulkintoja oikeuden neutraalissa kielenkäytössä. Hänen tutkimuksensa Rikosprosessi ja parisuhdeväkivalta ilmestyi vuonna 2004. Sukupuolistuneen väkivallan tutkimus on johtanut hänet myös rikosoikeuden ongelmien pariin, erityisesti seksuaalirikosten tutkijana ja asiantuntijana. Viimeksi hän on johtanut seksinostokiellon arviointia oikeusministeriön toimeksiannosta. Johanna Niemi on tutkinut prosessioikeutta monipuolisesti, mutta hänen erityisenä kiinnostuksen kohteenaan on esitutkinta ja pakkokeinot. Ihmisoikeudet ovat jo opiskeluajoista lähtien olleet innoittajia hänen tutkimustyössään. Monipuolinen tutkimustyö on johtanut oikeustieteen metodologisten kysymysten pohdintaan. Yhteiskuntatieteiden ja kulttuurin tutkimuksen teorioilla ja metodeilla on paljon annettavaa oikeustieteelle. Oikeuden ymmärtäminen yhteiskunnalliseksi diskurssiksi syventää käsitystämme lain voimasta ja sen taustalla olevista oletuksista.