Carla van Boxtel doet onderzoek naar het leren over geschiedenis en erfgoed. Ze richt zich in het bijzonder op de vraag hoe het vermogen om historisch te denken en redeneren bevorderd kan worden. Daarnaast onderzoekt ze hoe geschiedenis- en erfgoedonderwijs kinderen en jongeren zicht kan geven op de wijze waarop het verleden op verschillende manieren van betekenis is in het heden. Haar onderzoek vindt plaats op het snijvlak van de discipline Geschiedenis, waarop het schoolvak is gebaseerd, en de Onderwijswetenschappen.

Van Boxtel is een van de trekkers in het programma “Meesterschap in de vakdidactiek”, geïnitieerd door het Regieorgaan Geesteswetenschappen, dat een impuls wil geven aan de versterking van de vakdidactiek in de Geesteswetenschappen, zowel in het onderzoek als in het onderwijs.

Van Boxtel is sinds 2006 verbonden aan het Instituut voor de Lerarenopleiding van de UvA. Ze is tevens directeur van het Landelijk Expertisecentrum Mens- en Maatschappijvakken. Daarnaast was ze van 2008 tot en met 2014 bijzonder hoogleraar Historische cultuur en educatie aan de Erasmus Universiteit Rotterdam.  In 2009 won Van Boxtel de ‘Outstanding publication award’ van de European Association of Research in Learning and Instruction voor het artikel waarin ze samen met haar collega Jannet van Drie een kader presenteerde om het historisch redeneren in de klas te analyseren. Ze heeft vele publicaties op haar naam staan, onder meer in tijdschriften als Cognition and Instruction, het British Journal of Educational Studies en Journal of Curriculum Studies. Van Boxtel verwierf diverse subsidies van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).