Pracował nad rolą receptorów NMDA w mechanizmie działania leków przeciwdepresyjnych oraz substancji używanych do leczenia uzależnień narkotykowych, w tym ibogainy.
Specjalizuje się w badaniu leków i substancji wpływających na procesy poznawcze, pamięć i zapamiętywanie, na zachowania społeczne, na emocje i komunikację zwierząt (w tym, na komunikację ultradźwiękową), i potencjalnie użytecznych w leczeniu zaburzeń takich jak depresja, schizofrenia oraz uzależnienia od substancji psychoaktywnych. Opublikował ponad sto czterdzieści artykułów w recenzowanych czasopismach oraz rozdziałów w książkach, a także książkę o substancjach uzależniających dla nastolatków Dlaczego narkotyki (2000).
Za prace nad lekami przeciwdepresyjnymi zespół Phila Skolnicka, w którym pracował Piotr Popik, otrzymał Nagrodę Anna Monika.
W 2007 roku Popik uzyskał tytuł profesora nauk medycznychPostanowienie Prezydenta Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 22 października 2007 r. nr 115-7-07 o nadaniu tytułu profesora ().. Jest członkiem komitetów redakcyjnych czasopism Amino Acids oraz Pharmacology Biochemistry and Behavior.