Muzeja speciālistu pētnieciskais darbs ir viens no būtiskākajiem muzeja pamatdarbības veidiem, kas izpaužas gan Latvijas dabas izpētē, gan kolekciju apstrādē un izveidē, gan arī izstāžu un jaunu ekspozīciju veidošanā un vides izglītības darba nodrošināšanā.
Muzeja speciālisti iesaistās vietēju un starptautisku projektu īstenošanā, kā arī starptautisko konvenciju izglītības un saziņas programmu nodrošināšanā. Pētnieciskā darba rezultāti tiek atspoguļoti publikācijās un ziņojumos dažādās konferencēs. Pētniecisko darbu izstrādes gaitā tiek veidotas nozīmīgas un zinātniski augstvērtīgas kolekcijas, piemēram, Latvijas sauszemes gliemežu čaulu kolekcija, Latvijas cepurīšu sēņu kolekcija, Latvijas mieturaļģu kolekcija, Latvijas tauriņu kolekcija un citas.
Muzeja pētnieciskajai darbībai ir jākalpo sabiedrības interesēm, taču līdztekus muzeja zinātniskais potenciāls jāizmanto arī sabiedriskās domas veidošanā, aktīvā iesaistīšanā un atbildīgu lēmumu pieņemšanas veicināšanā. Modernas un interaktīvas ekspozīcijas, daudzveidīgas izstādes, ekskursijas, muzejpedagoģiskās programmas un lekcijas, pulciņu nodarbības, dažādi vides izglītības un citi pasākumi – tie ir veidi, kā muzejs, izmantojot krājumu, īsteno kvalitatīvu mijiedarbību ar dažādām mērķauditorijām.