Với mục tiêu trở thành Trường đại học nghiên cứu tiên tiến, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đặc biệt quan tâm nâng cao chất lượng và hiệu quả của nghiên cứu khoa học bằng cách xác định hướng nghiên cứu ưu tiên; tập trung đầu tư cho các nghiên cứu xuất sắc, đỉnh cao nhằm tăng số công bố trên các tạp chí quốc tế uy tín; các phát minh, sáng chế và các hợp đồng triển khai ứng dụng. Trên cơ sở đó, Trường đã hình thành các nhóm nghiên cứu ở nhiều các lĩnh vực khác nhau. Tính đến năm 2020, Trường đã có 10 nhóm nghiên cứu mạnh và 01 nhóm nghiên cứu tiềm năng được Đại học Quốc gia Hà Nội công nhận, bao gồm: 1. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Topo đại số do GS.TSKH. Nguyễn Hữu Việt Hưng làm Trưởng nhóm. 2. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Phương pháp lý thuyết trường lượng tử do GS.TS. Nguyễn Quang Báu làm Trưởng nhóm. 3. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Khoa học vật liệu tính toán do GS.TS. Bạch Thành Công làm Trưởng nhóm. 4. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Sóng trong môi trường đàn hồi do GS.TS. Phạm Chí Vĩnh làm Trưởng nhóm. 5. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Khoa học phân tích trong môi trường, y sinh, thực phẩm và ứng dụng do GS.TS. Phạm Hùng Việt làm Trưởng nhóm. 6. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Công nghệ hóa học vật liệu và năng lượng sạch do GS.TSKH. Lưu Văn Bôi làm Trưởng nhóm. 7. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Công nghệ Enzym và Protein do GS.TS. Phan Tuấn Nghĩa làm Trưởng nhóm. 8. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Vật liệu tiên tiến trong Bảo vệ môi trường và Phát triển xanh do GS.TS. Nguyễn Văn Nội làm Trưởng nhóm. 9. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Mô hình hóa Khí hậu Khu vực và Biến đổi khí hậu do GS.TS. Phan Văn Tân làm Trưởng nhóm. 10. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Hóa học phức chất và Hóa sinh vô cơ do PGS.TS. Nguyễn Hùng Huy làm Trưởng nhóm. 11. Nhóm nghiên cứu về lĩnh vực Ứng dụng dược chất thiên nhiên và tổng hợp định hướng hóa dược do PGS.TS. Mạc Đình Hùng làm trưởng nhóm (nhóm nghiên cứu tiềm năng). | 
