Forskningen er organisert gjennom fire faggrupper hvor tema dekker et vidt spekter innen kjemisk syntese og analyse, materialkjemi og skjæringspunktet mellom kjemi, molekylærbiologi og bioteknologi. Forskningen varierer fra grunnleggende teoretisk kjem, til mer anvendt forskning innen for eksempel legemiddelutvikling og bioteknologi:

• Utvikling av biokatalysatorer til industrielt og medisinsk bruk
• Utvikling av katalysatorer for bærekraftig konvertering av CO₂ til forbindelser som kan erstatte olje
• Bærekraftig utnyttelse av restråstoff fra havet
• Utvikling av nye legemidler (antibiotikaresistens, kreft, medisinsk diagnostikk)
• Modellering av kjemiske prosesser i biologiske system
• Modellering av kjemiske reaksjoner og egenskaper
• Utvikling av nye materialer til solenergi konvertering
• Utvikling og bruk av bioinformatiske verktøy.

Institutt for kjemi leder eller er partner i følgende senter og nettverk:

• Hylleraas, senter for kvantemolekylær vitenskap
• Elixir Norge, node i Europeisk infrastruktur for bioinformatikk
• NordCO₂, nordisk konsortium for CO₂ konvertering
• CO₂PERATE, europeisk nettverk for karbon-fangst
• BioCat, nasjonal forskerskole i biokatalyse