As atividades de pesquisa científica são desenvolvidas pelos Departamentos de Antropologia, Botânica, Entomologia, Geologia e Paleontologia, Vertebrados e Invertebrados, que dispõem de coleções que representam a base para os estudos das diferentes especialidades. Reconhecido internacionalmente como núcleo de excelência em pesquisa, o Museu Nacional mantém parcerias com os principais centros nacionais e internacionais de ciências naturais e antropológicas. A instituição desenvolve inúmeros projetos em diversas linhas de pesquisa, contando com o financiamento das principais instituições de fomento do país.

Como atividade diretamente relacionada à pesquisa científica, a realização de expedições é tarefa freqüente dos pesquisadores de todos os departamentos do Museu. Nesse sentido, cabe destacar a diversidade dessas viagens, tanto nos vários campos de atividade quanto na sua abrangência geográfica. Como instituição de caráter nacional, o Museu realiza atividades em todo o território brasileiro, além de desenvolver pesquisas conjuntas com pesquisadores estrangeiros em diversas localidades do planeta, incluindo o continente antártico.