Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta keskittyy kansainvälisesti korkeatasoiseen pitkäjänteiseen perustutkimukseen ja siihen pohjautuvaan tutkijankoulutukseen.

Kansainvälisesti näkyvintä on sen globaaliin ilmastonmuutokseen liittyvä ilmakehätutkimus. Omia tutkimuslaitteistoja rakennetaan koko ajan, ja tärkeää on tutkimus ja tutkijankoulutus tieteen suurhankkeissa; esimerkiksi Suomen Cern-yhteistyötä koordinoiva valtakunnallinen tutkimuslaitos Fysiikan tutkimuslaitos kuuluu tiedekuntaan.

Kotimaassa tiedekunta tekee läheistä yhteistyötä Ilmatieteen laitoksen kanssa. Tietotekniikan tutkimuslaitoksen (HIIT) rooli tiedekunnan ja Aalto-yliopiston yhteisenä tutkimusympäristönä on merkittävä. Laitos koordinoi yliopistojen Helsinki ICT-alueen aktiviteetteja. Kansainvälisesti ainutlaatuisen kokonaisuuden muodostaa ilmastotieteen ja matematiikan välinen uusi yhteistyö. Siihen osallistuvat matemaattisen fysiikan ja inversio-ongelmien tutkimusryhmät sekä ilmakehän ja biosfäärin aineenvaihtoa ja molekyylitason malleja tutkivat ryhmät.

Keskeinen kehittämiskohde on datatiede, joka rakentuu pitkälti tietojenkäsittelytieteen, tilastotieteen ja matematiikan menetelmien varaan. Tiedekunnan tavoitteena on laajentaa datatieteen opetusta ja parantaa alan tutkimuksen laatua ja hyödyntämistä.

Tiedekunta vastaa Helsingin yliopiston LUMA-tiedekasvatuskeskuksesta, jossa lasten ja nuorten tiedekasvatusta kehitetään tieteenalarajat ylittäen. Tiedekasvatuskeskus edustaa yliopistoa LUMA-keskus Suomi -verkostossa.

Tiedekunnan tutkimuksen painoalat ovat:  ajassa muuttuvat systeemit alkuräjähdyksestä yhteiskuntaan, ilmakehä ja ilmastonmuutos, matemaattinen analyysi - algoritmit - ohjelmistot sekä materiaalit ja luonnonvarat.

Näillä aloilla kokeellinen ja teoreettinen tutkimus sekä tieteellinen laskenta muodostavat vahvan toinen toistaan tukevan perustan, ja työ tehdään tieteidenvälisissä kansainvälisissä verkostoissa. Aloja valittaessa on hyödynnetty tutkimuksen arviointeja ja katsottu Suomen Akatemian huippuyksikköjä sekä Finland Distinguished Professor Programme (FiDiPro)- ja European Research Council (ERC) -rahoituksen saaneiden tutkijoiden ja täydentävän rahoituksen määrää. Lähtökohtana ovat riippumattomalla vertaisarvioinnilla saavutetut ansiot.