Elle dirige ses recherches au Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon où elle est responsable de l’équipe Cognition auditive et psychoacoustique. En 2016, elle reçoit la médaille d'argent du CNRS pour ses travaux qui visent à décrypter les mécanismes cognitifs et neuronaux permettant au cerveau humain de percevoir les structures musicales.
Elle étudie plus particulièrement les phénomènes d’amusie congénitale. Ses travaux ont également contribué à révéler le rôle bénéfique de la musique dans le traitement de certains troubles cognitifs. Elle a ainsi démontré que des amorces musicales pouvaient améliorer les performances linguistiques d’enfants souffrant de dyslexie ou de dysphasie. Elle a organisé la conférence internationale Musique et neurosciences à Dijon en 2014. Barbara Tillmann est membre du conseil scientifique du Centre européen de musique.
Publications sélectives
Pineau, M., & Tillmann, B. (2001). Percevoir la musique: une activité cognitive. Editions L'Harmattan.
(en) Bigand, E., Poulin, B., Tillmann, B., Madurell, F., & D'Adamo, D. A. (2003). Sensory versus cognitive components in harmonic priming. Journal of Experimental Psychology: Human perception and performance, 29(1), 159.
(en) Tillmann, B., Schulze, K., & Foxton, J. M. (2009). Congenital amusia: A short-term memory deficit for non-verbal, but not verbal sounds. Brain and cognition, 71(3), 259-264.