La recerca científica sempre ha estat un aspecte de gran importància per al Museu des de la seva constitució. Històricament, s’han realitzat estudis sobre carst i coves, bolets, foraminífers, crustacis (decàpodes i isòpodes), coleòpters crisomèlids, quilòpodes, fauna cavernícola, peixos fòssils, etc. Actualment, les línies de recerca principals són 7, enumerades a continuació:

Paleontologia del Permià i Triàsic de Balears: S’investiguen els ecosistemes d’aquests dos períodes geològics, els ambients que s’hi desenvoluparen i la flora i la fauna que hi vivia. Investigadors: Rafel Matamales, Joan Garcia i Josep Juárez.

Paleontologia de mol·luscs de Mallorca: S’estudia la paleobiodiversitat de mol·luscs de diferents períodes geològics de Mallorca, especialment: (1) ammonoïdeus del Cretaci, (2) gasteròpodes del Paleogen, i (3) gasteròpodes i bivalves del Plio-quaternari. També s’estudien els ambients on varen viure. Investigadors: Josep Juárez, Rafel Matamales i Pere Miralles.

Ecologia de foraminífers: S’estudien els foraminífers fòssils i vivents i la biota productora de carbonats, les seves aplicacions ecològiques i paleoecològiques, amb particular èmfasi en la seva utilitat com a bioindicadors marins, indicadors paleoambientals i de processos sedimentaris en sistemes carbonatats. Investigadors: Guillem Mateu.

Taxonomia i biodiversitat de crustacis actuals: S’estudia la faunística i taxonomia dels isòpodes terrestres (Crustacea: Isopoda: Oniscidea) de les regions ibero-balear i nord-africana. També s’estudia la biodiversitat de crustacis a les Illes Balears, incloent-hi els ambients marins, dulciaqüícoles i subterranis. Investigadors: Lluc Garcia.

Geologia de Sóller: Es realitza una cartografia geològica de gran detall del municipi de Sóller i regions limítrofes. Investigadors: Joan Arbona.

Geologia del Raiguer: Es realitza una cartografia geològica de gran detall del municipi de Selva i regions limítrofes. Investigadors: Pere Miralles.

Bolets de les illes Balears: S’estudia la flora micològica balear, col·laborant amb diferents especialistes i aficionats. Cada any es fan prospeccions a una zona diferent, i ja s’han trobat unes 2.400 espècies de fongs a les Illes Balears, algunes de noves a nivell mundial. Investigadors: Carles Constantino.