Gli interessi scientifici di Giuliano Bellieni coprono problemi che riguardano il vulcanismo
continentale, il magmatismo intrusivo legati alla tettonica distensiva e compressiva e la classificazione di rocce magmatiche. Per quanto rigurda le ricerche sul vulcanismo continentale esse sono state eseguite sui continenti africano (Eritrea, Kenya, Somalia, Angola,Cameroon), sud americano (Brasile, Paraguay, Argentina) e negli ultimi anni anche in quello nord americano (U.S.A. e Canada) ed europeo (Portogallo). I risultati ottenuti hanno fortemente contribuito alla conoscenza del vulcanismo continentale, della composizione ed evoluzione del mantello sorgente dei magmi e del significato che questo vulcanismo assume nella separazione delle grandi masse continentali.In questi ultimi anni particolare attenzione è stata dedicata allo studio geochimico, palinologico, stratigrafico e paleomagnetico del vulcanismo che caratterizza la più vasta (10x106 km2 ca.) provincia basaltica del Phanerozoico (CAMP: Cerntral Atlantic Magmatic Province). L’enorme
volume dei materiali eruttati che interessano quattro continenti (Africa, Sud America, Nord America, Europa) è ancora sconosciuto e viene stimato in circa 2x106 km3, in quanto numerose
sono le regioni che si suppone siano state interessate dall’evento vulcanico CAMP (es. Mauritania, Bolivia, Venezuela, Europa). Questo vulcanismo è stato proposto come principale causa delle variazioni climatiche e della conseguente crisi biologica al limite Triass-Giusassico.
Le ricerche sul magmatismo intrusivo sono state condotte sui plutoni di età alpina affioranti nelle
Alpi Orientali (Italia, Austria, Slovenia) e i risultati ottenuti hanno permesso di porre circostanziati vincoli sulla genesi ed evoluzione delle masse plutoniche.
Per quanto riguarda l'attività di classificazione e nomenclatura delle rocce vulcaniche, essa è stata condotta nelle Commissioni Internazionali della IUGS di cui è membro riguarda l’individuazione
di diagrammi per la classificazione e nomenclatura di rocce vulcaniche da proporre alla comunità scientifica internazionale.