Su trabajo se ha centrado en desarrollar e implementar herramientas matemáticas para estudiar las redes cerebrales y cómo se reorganizan en casos de daño cerebral y enfermedades como el Alzheimer.​ También investiga la relación entre el cerebro y otros órganos como el corazón, el intestino o los pulmones,​ analizando su actividad eléctrica y composición microbiana para entender los procesos biológicos que intervienen en la regulación emocional, así como los efectos de la meditación y los estilos de vida sobre la salud mental.

Desde 2022, dirige el área de investigación del laboratorio Nirakara, y ocupa la cátedra extraordinaria de mindfulness y ciencias cognitivas de la Universidad Complutense de Madrid (UCM).​

Como divulgadora, Castellanos es autora de varios libros. En 2022, publicó Neurociencia del cuerpo, donde explora cómo el cuerpo influye en la mente, integrando hallazgos científicos recientes con perspectivas históricas de la medicina oriental y occidental para mostrar el impacto de la postura, la respiración, el corazón o la microbiota en procesos como la memoria, la atención o las emociones.

También ha publicado diversos libros de divulgación orientados a público infantil con ilustraciones de Luna Lag, como Alicia y el cerebro maravilloso: Un cuento para entender lo que pasa en tu cabeza, en 2022, y Alicia y el corazón maravilloso: Un cuento para aprender a respetar todos los corazones, en 2023.