Katalysens kerne er vekselvirkningen mellem atomer. Stig Helveg formår, med avanceret brug af transmissionselektronmikroskopi kombineret med højtryksceller, at følge de enkelte atomer undervejs i den katalytiske proces. Hans pionerindsats på dette område har bygget bro over klassiske antagelser i studiet af overfladers kemi og etableret en ny tilgang til at erhverve sig grundlæggende indsigt i hvordan katalysatoren fungerer, og dermed hvordan nye katalysatorer kan designes
Stig Helveg bringer grundvidenskabelig viden ind som et designparameter for næste generation af katalysatorer. Han formår at udføre forskning på højt internationalt niveau og samtidig bidrage til fremtidens industrielle katalysatorer på afgørende vis. Endvidere har Stig Helveg særligt udmærket sig inden for visualisering af den atomare struktur og dynamik af molybdæn-sulfid nanopartikler, vækst af kulstof-nanofibre og kobber-zinkoxid methanol-katalysatoren. Han har blandt andet vist, at katalysatorens nanopartikler ændrer form og funktion undervejs i processen induceret af den tilstedeværende gas.
Stig Helveg har stor international gennemslagskraft og inviteres ofte til at bidrage til internationale konferencer og til at indgå i internationale samarbejder. Han har publiceret over 90 artikler, heraf mange i Science og Nature. Hans arbejde er citeret over 8.600 gange.
Stig Helveg fik sin ph.d.-grad inden for ´scanning tunnel`-mikroskopi på metalsulfider fra Aarhus Universitet i år 2000 – et arbejde, der gav fundamental indsigt i afsvovlingskatalysatorer. Han har siden da været hos Haldor Topsøe A/S.