Sonia Birocheau s'intéresse, à partir de l'exemple de Chicago, à l'histoire de la formation des enseignants ; aux problématiques entourant la question de la professionnalisation du métier d'enseignant au tournant du XXe siècle ; et à l'évolution des missions sociales des établissements publics. Ses recherches portent notamment sur la façon dont le leadership est pensé et exercé à une période de redistribution du pouvoir dans les systèmes scolaires américains.

Elle travaille également sur les formes d'engagement des enseignants et directeurs d'école dans leurs vies professionnelle et personnelle (syndicalisme, associations professionnelles, associations de citoyens, activisme politique et social).