Matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa tehdään kansainvälisesti korkeatasoista fysiikan, geofysiikan, geologian, kemian, maantieteen, meteorologian, matematiikan, tietojenkäsittelytieteen, tilastotieteen ja tähtitieteen perustutkimusta. Alalle koulutetaan uusia tutkijoita koko ajan. Tiedekunnan strategisia tutkimusalueita ovat avaruustutkimus, ympäristön perustutkimus, ilmakehätiede, nanotiede, datatiede, laskennallinen tiede, matemaattinen fysiikka, biologisen tiedon data-analyysi sekä geoinformatiikka, geotieteet ja kaupunkitutkimus. 

Tiedekunnan tutkimuksen painoalat ovat: 

ml-010101

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.

Tiedekunnan kansainvälisesti näkyvintä tutkimusta edustaa globaaliin ilmastonmuutokseen liittyvä ilmakehätutkimus. Suomen Cern-yhteistyötä koordinoiva valtakunnallinen tutkimuslaitos Fysiikan tutkimuslaitos on osa tiedekuntaa. Omien tutkimuslaitteistojen lisäksi käytössä on työympäristö kansainvälisissä tieteen suurhankkeissa. Tiedekunta tekee tiiviisti yhteistyötä myös Ilmatieteen laitoksen kanssa.