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Ses recherches portent sur le développement de l'enfant et les neurosciences cognitives. Son laboratoire de la Sorbonne est connu en France et dans le monde pour avoir développé une théorie nouvelle du développement cognitif, du raisonnement et de la décision, fondée sur le processus d'inhibition et de contrôle cognitif qui dépend du cortex préfrontal, à l'avant du cerveau.
Olivier Houdé est instituteur de formation initiale (École Normale Saint-Thomas, à Bruxelles, devenue aujourd’hui la Haute École Galilée[1]), puis réalise un doctorat de psychologie à l'université Paris 5 (Sorbonne) en 1991, spécialisé en psychologie du développement cognitif de l'enfant, et une habilitation universitaire en 1994. Il est nommé Professeur en psychologie expérimentale dans cette même université en 1995[2]. En 1998, il réalise un DEA complémentaire de biologie humaine à l'université Claude Bernard de Lyon pour se spécialiser en imagerie cérébrale, technologie alors naissante.
Il dirige le Laboratoire de psychologie du développement et de l’éducation de l’enfant (LaPsyDÉ) de l'université de Paris et du CNRS, de 1998 à 2018. Dans une tribune du Monde, il indique en 2018: «Avec mon laboratoire du CNRS, nous avons réalisé depuis dix ans les toutes premières recherches en France utilisant l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) avec des enfants volontaires d’écoles maternelles et primaires pour comprendre comment ils apprennent à lire, écrire, compter, penser (ou raisonner) et respecter autrui. [...] Aujourd'hui, nous suivons les capacités de raisonnement d’adolescents jusqu'au lycée et au bac, mais aussi leurs capacités de contrôle cognitif et émotionnel, qui dépendent du cortex préfrontal, à l’avant du cerveau, et du système limbique. On explore également l’impact sur le cerveau d’apprentissages cognitifs quotidiens sur tablettes numériques[4].»
Jacqueline Bideaud et Olivier Houdé, Cognition et développement: Boîte à outils théoriques, Berne et New York, Peter Lang, 1991, 153 p.
Olivier Houdé, Catégorisation et développement cognitif (préf.Jacqueline Bideaud), Paris, PUF, , 204p. (BNF35512632)
Jacqueline Bideaud, Olivier Houdé et Jean-Louis Pedinielli, L'Homme en développement, Paris, PUF, coll. "Collection Premier Cycle", 1993, 522 p. (réédité en 2015, coll. "Quadrige classique").
Olivier Houdé et Denis Miéville, Pensée logico-mathématique: nouveaux objets interdisciplinaires, Paris, PUF, coll.«Psychologie et sciences de la pensée», , 249p. (ISBN2-13-045992-7, BNF35617544)
Olivier Houdé, Rationalité, développement et inhibition. Un nouveau cadre d’analyse, Paris, PUF, coll.«Psychologie et sciences de la pensée», , 146p. (ISBN2-13-047291-5, BNF35795132)
Olivier Houdé et al. (Eds.), Vocabulaire de sciences cognitives: Neurosciences, psychologie, intelligence artificielle, linguistique et philosophie (Grands Dictionnaires), Paris, PUF, 1998.
Olivier Houdé et Claire Meljac (Eds.), L'esprit Piagétien: Hommage international à Jean Piaget, Paris, PUF, 2000, 242 p.
Olivier Houdé, Bernard Mazoyer et Nathalie Tzourio-Mazoyer, Cerveau et psychologie, Paris, PUF, coll.«Collection Premier cycle», , 609p. (ISBN2-13-050912-6, ISSN1158-6028, BNF38812056)
Prix Dagnan-Bouveret de l'Académie des sciences morales et politique pour l'ouvrage Cerveau et psychologie (2002).
Prix international Roberval – mention jeunesse pour l'ouvrage L'enfant et les écrans (2013).
Prix Binoux, Henri de Parville, Jean-Jacques Berger, Remlinger d'histoire des sciences et épistémologie de l’Académie des sciences (2014)[10] pour l'ouvrage Le Raisonnement.