劉伯裏在放射性藥物領域有很高的造詣，研究了14種核素的放射性藥物，尤其在鍀化學以及鍀藥物的理論設計和應用方面取得了系列成果。
鍀化學與99mTc-放射性藥物的研究。80年代以來，由於99mTc 具有理想的核性質，鍀藥物得到了很大的發展。劉伯裏及其合作者將堆積模型應用於鍀化學，首次定量研究了鍀配合物的結構穩定性規律，得出了所有穩定鍀配合物，其SAS值（空間立體角系數之和）介於0.97±0.13；解釋了世界各國過去在合成鍀放射性藥物時發現的某些鍀配合物不穩定的原因；提出了各種不同配位原子可能形成的穩定鍀放射性藥物的方案，這些設想後來均為實驗所證實。這壹成果使穩定鍀配合物的合成擺脫了過去經驗的束縛，縮短了篩選時間，為鍀放射性藥物的設計提供了理論和實驗依據。劉伯裏等人還系統地研究了鍀腦放射性藥物的構效關系，提出了腦顯像劑的吸收機理和滯留機理，並在此基礎上，合成出具有良好腦吸收和滯留性質的新的腦顯像劑。此外，他和合作者研制的99mTc-ECD、99mTc-MIBI已通過衛生部批準，在全國臨床推廣應用，產生了較大的社會和經濟效益。
放射性鹵素藥物。在放射性腎上腺顯像劑的研制中，在王世真院士首次標記6位膽固醇的基礎上，劉伯裏和他的合作者系統地研究了溴-82、碘-131、砹-211標記的6位膽固醇和碘-131標記的6位甲基膽固醇和6位乙基膽固醇。其中，溴、砹標記的6位膽固醇和碘-131標記的6位乙基膽固醇是獨創的。此外，他還系統地研究了放射性鹵素同位素交換動力學規律。
在放射性鹵素藥物標記方面，劉伯裏首創了濕熱熔融交換法和冠醚介質催化交換法。前者已用於放射性藥物標記的新工藝，後者實現了低溫快速同位素交換，為生物活性物質的標記開辟了新途徑。另外，為了有目的地設計合成新型的放射性藥物，劉伯裏領導的研究組應用量子化學、分子力學以及分子圖形學等計算機輔助藥物設計方法研究了腦內神經遞質受體與其配體相互作用的模型，並在此基礎上，合成了壹種新型的123 I標記的多巴胺D2受體顯像劑，其對猴腦紋狀體的特異性高於國際公認的123I-IBZM。這些成果都處於放射性藥物的研究前沿，受到各國同行的矚目。
其他核素的放射性藥物。在美國加州大學Crocher核實驗室，劉伯裏參加了對生產醫用核素123 I重要的127I（p，xn）核反應的激發函數、薄靶產額及累計產額的測定，其中包括127 I（p，n）127Xe、127I（p，3n）127Xe、127I（p，5n）127Xe、127I（p，6n）127Xe和127 I（p，7n）127Xe等核反應，並用於高純度131 I的大規模生產。在國內，他指導並參加了用CS-30回旋加速器研制67Ga、111In、201Tl和57Co醫用核素。其中，67Ga自1987年開始經衛生部批準，首次在國內大批量生產，供全國臨床應用，57Co也批量生產，供制作穆斯鮑爾源，改變了依靠進口的局面，取得了很好的社會和經濟效益。另外，成功地研制成+1價的111In-BAT-TE和68Ga-BAT-TECH配合物用作新的心肌顯像劑，並定量地研究了上述二類藥物的構效關系，為放射性111In和正電子發射核素68Ga的應用，為鎵、銦放射性藥物的發展開辟了廣闊的前景。 劉伯裏在中國核工業發展的初期，劉伯裏根據中國核燃料後處理工業發展的需要，積極從事裂變廢液處理的研究。自1958年以來，他系統地研究了中國蒙脫石、蛭石、斜發沸石等裂變產物137Cs、90Sr、147Pm、144Ce和106Ru的交換吸附行為，並取得了壹些有意義的結果。
1965年，根據三線建設的需要，劉伯裏和他的同事們承擔了核燃料後處理工廠（821工程）中裂變廢液處理的任務。劉伯裏是該項目的主要負責人，組織並參加了該項目主要的實驗研究。該實驗包括幾段流程，僅離子交換段就研究了從全國上千種不同產地采集的蛭石、沸石礦樣對137Cs、90Sr、144Ce等裂變產物的交換吸附行為。為了確保數據的可靠性，建立了全套主要裂變核素的分析方法和低本底總β的測量方法，篩選了各類凈化106Ru陰離子樹脂，設計了快速混凝沈降器，選擇了各種快速混凝劑，試驗了各種沈凝方案以及進行了熱臺架實驗等。總之，經過五年的艱苦奮鬥，經過幾百次小型流程試驗和三次擴大試驗，終於成功地確定了壹套符合國家標準要求的處理流程，采用混凝沈降和離子交換兩段流程處理08廢水，采用蒸餾、陽離子交換和陰離子交換處理07廢水，達到了國家安全排放指標。該項成果填補了國內空白，達到了當時國際先進水平，並在三線核工業建設的有關工程設計中被采用。
1970-1972年，劉伯裏作為主要負責人之壹，參加並組織了國家海洋局下達的海水淡化器脫鹽除放射性裂變產物汙染的研究項目。以核爆炸汙染的苦鹹水為體系，用冷卻5天的濃縮235U、239 Pu，經反應堆輻照後的裂片為指示劑，研究裂變產物在電滲析脫鹽過程中的遷移行為和規律。此項研究取得了滿意結果，為凈化核爆炸現場的汙染水源提供了有效手段，具有實際應用價值。此後，他還參加了中國核潛艇原子反應堆第壹回路水中泄漏放射性核素的凈化研究，為完成軍工任務做出了貢獻。
1974年，劉伯裏參加了用人工合成的無機離子交換材料從高放裂變廢液1AW中，分離和提取137Cs和90Sr的研究並進行了熱試驗，該項目經驗收，達到了國際先進水平。