La investigación científica siempre ha sido un aspecto de gran importancia para el Museo desde su constitución. Históricamente, se han realizado estudios sobre karst y cuevas, hongos, foraminíferos, crustáceos (decápodos e isópodos), coleópteros crisomélidos, quilópodos, fauna cavernícola, peces fósiles, etc. Actualmente, las principales líneas de investigación son siete, que se enumeran a continuación:

Paleontología del Pérmico y Triásico de Baleares: Se investigan los ecosistemas de estos dos periodos geológicos, los ambientes que se desarrollaron y la flora y fauna que habitaba en ellos.
Investigadores: Rafel Matamales, Joan Garcia y Josep Juárez.

Paleontología de moluscos de Mallorca: Se estudia la paleobiodiversidad de moluscos de diferentes periodos geológicos de Mallorca, especialmente: (1) ammonoideos del Cretácico, (2) gasterópodos del Paleógeno y (3) gasterópodos y bivalvos del Plio-cuaternario. También se analizan los ambientes en los que vivieron.
Investigadores: Josep Juárez, Rafel Matamales y Pere Miralles.

Ecología de foraminíferos: Se estudian los foraminíferos fósiles y actuales, así como la biota productora de carbonatos, sus aplicaciones ecológicas y paleoecológicas, con especial énfasis en su utilidad como bioindicadores marinos, indicadores paleoambientales y de procesos sedimentarios en sistemas carbonatados.
Investigador: Guillem Mateu.

Taxonomía y biodiversidad de crustáceos actuales: Se estudia la faunística y taxonomía de los isópodos terrestres (Crustacea: Isopoda: Oniscidea) de las regiones ibero-balear y norafricana. También se investiga la biodiversidad de crustáceos en las Islas Baleares, incluyendo ambientes marinos, de agua dulce y subterráneos.
Investigador: Lluc Garcia.

Geología de Sóller: Se lleva a cabo una cartografía geológica de gran detalle del municipio de Sóller y regiones limítrofes.
Investigador: Joan Arbona.

Geología del Raiguer: Se realiza una cartografía geológica detallada del municipio de Selva y zonas adyacentes.
Investigador: Pere Miralles.

Hongos de las Islas Baleares: Se estudia la flora micológica balear, en colaboración con diversos especialistas y aficionados. Cada año se llevan a cabo prospecciones en una zona diferente, y ya se han identificado unas 2.400 especies de hongos en las Islas Baleares, algunas nuevas a nivel mundial.
Investigador: Carles Constantino.