Muuseumi teadustöö keskendub teadusajaloo ja Tartu ülikooli ajaloo uurimisele ning muuseumifondi teaduslikule läbitöötamisele.

Muuseum avaldab teadusartiklite kogumikku „Tartu Ülikooli ajaloo küsimusi”. Kogumik ilmub aastast 1975. (vt koondsisukorda )

2002. aastast ilmub populaarteaduslik sari “Leiutisi ja avastusi Keiserlikus Tartu Ülikoolis”. Sari tutvustab Tartu ülikooli olulisemaid teadussaavutusi 19. sajandil.
Muuseum korraldab konverentse ja teadusajaloo päevi. Iga aasta detsembri esimesel nädalal toimub muuseumi aastakonverents, mis on pühendatud erinevatele teadusajaloo ja ülikooli ajaloo teemadele, mida käsitlema kutsutakse ettekandjaid nii kodu- kui välismaalt. Muuseumi töötajad on aktiivselt kaasa löönud Balti teadusajaloo konverentsidel, mis toimuvad iga kahe aasta tagant kordamööda Eestis, Lätis ja Leedus.

Teadusajaloo päevadega tähistatakse tuntud teadlaste sünniaastapäevi, Tartu Ülikooli ja teaduslike avastuste tähtpäevi (vt tähtpäevade kalendrit). Teadusajaloo päevade korraldamisel on muuseum teinud koostööd Tartu ülikooli eri teaduskondade, Eesti Ajalooarhiivi, Tartu ülikooli raamatukogu, Õpetatud Eesti Seltsi, Eesti Kirjandusmuuseumi, Eesti Maaülikooli Baeri maja teadusajaloo uurimise keskuse ja teistega.

Kord kuus toimuvatel populaarteaduslikel teeõhtutel tutvustavad tegevteadlased huvilistele kaasaja teaduse intrigeerivaid probleeme ja oma uurimistulemusi.

Muuseumil on koostöösidemed teadusajaloo uurimise keskuste ja muuseumidega Rootsis, Saksamaal, Soomes, Venemaal, Ungaris jm. Osaletakse Euroopa ülikoolimuuseumide koostöövõrgustikus UNIVERSEUM ja Rahvusvahelise Muuseumiühingu (ICOM) ülikoolimuuseumide sektsioonis UMAC.