สดร. ดำเนินแนวทางการวิจัยใน 4 Key Science Areas ได้แก่ Space Weather and Earth’s Climate, Understanding Physics of the Universe, Exoplanets and Astrobiology, Understanding the Origin of the Cosmos และอื่นๆ ได้แก่ Optics, RF, Data Archive ภายใต้  5 กลุ่มวิจัยหลัก ดังนี้

2.1 กลุ่มทัศนศาสตร์และเครื่องมือทัศนศาสตร์ขั้นสูง - ศึกษาวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ และเครื่องมือเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานกล้องโทรทรรศน์ รวมถึงพัฒนาเครื่องมือวิเคราะห์เชิงแสง ที่ช่วยให้ได้ข้อมูลที่ถูกต้อง เที่ยงตรงยิ่งขึ้น เช่น การพัฒนาอุปกรณ์ลดระยะโฟกัส การพัฒนาสเปกโทรกราฟ การสร้างอุปกรณ์ถ่ายภาพดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ดาวฤกษ์ และออกแบบพัฒนากล้องโทรทรรศน์ขนาดกลาง เป็นต้น

2.2  กลุ่มดาราศาสตร์วิทยุ - ศึกษาวิจัย และสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ในช่วงคลื่นวิทยุ ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุในการสังเกตการณ์และเก็บข้อมูล เพื่อศึกษาวิจัยเกี่ยวกับพัลซาร์ หรือดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูงมากและแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาเป็นจังหวะ

2.3  กลุ่มวิทยาศาสตร์บรรยากาศ - ศึกษาผลกระทบของอวกาศที่มีต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การเชื่อมโยงระหว่างการเกิดเมฆกับปริมาณรังสีคอสมิกที่วิ่งมาสู่โลก การเกิดละอองลอยปกคลุมท้องฟ้าที่ไม่ได้เกิดจากเผาชีวมวลที่มีผลกระทบต่อการศึกษาดาราศาสตร์ในขณะสังเกตการณ์บนท้องฟ้า  ศึกษาถึงผลของสภาพอากาศและละอองลอยต่อชั้นบรรยากาศโลกและดาวเคราะห์

2.4   กลุ่มจักรวาลวิทยาและดาราศาสตร์ทฤษฎี - ศึกษาวิจัยถึงกำหนดของจักรวาล กำเนิดและวิวัฒนาการของดาวดวงแรก การเกิดและวิวัฒนาการของกาแลกซีในยุคแรกของเอกภพ ทำความเข้าใจธรรมชาติของ สสารและปฏิสสาร หลุมดำ พลังงานมืด สสารมืด พัลซาร์ ดาวแปรแสง เควซาร์ และการปลดปล่อยรังสีแกมมาอย่างรุนแรง

2.5   กลุ่มดาราศาสตร์แสง - ศึกษาวิจัย และสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ในช่วงคลื่นที่ตามองเห็น ใช้กล้องโทรทรรศน์แสงในการสังเกตการณ์และเก็บข้อมูล เพื่อค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ศึกษาดาวแปรแสง ศึกษาดาวคู่ และวิวัฒนาการของดาว เป็นต้น

ปัจจุบัน มีนักวิจัย 19 คน ผู้ช่วยนักวิจัยของโครงการต่างๆ 23 คน รวมทั้งสิ้น 42 คน มีผลงานวิจัยตีพิมพ์ในวารสารวิชาการทั้งในและต่างประเทศจำนวนมาก ค่า Impact Factor เฉลี่ยอยู่ในระดับ 4-5 ในระหว่างปี พ.ศ. 2557-2562 มีนักวิจัย อาจารย์ และนักศึกษา ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ทั้งในและต่างประเทศของสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติในการทำวิจัย มีผลงานตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติที่มี Impact factor มากกว่า 4 ทั้งหมด 43 ผลงาน

ตัวอย่าง งานวิจัยที่ได้รับการตีพิมพ์ดังกล่าว คือ “การค้นพบการเกิดดาวเคราะห์คล้ายโลกในระบบดาวฤกษ์ที่เพิ่งเกิดใหม่” ดร.ศรัณย์ โปษยะจินดา ผู้อำนวยการสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ และ ดร.วิภู รุโจปการ อาจารย์ประจำจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ใช้กล้องโทรทรรศน์ทางไกลอัตโนมัติซีกฟ้าใต้สังเกตการณ์ระบบดาวฤกษ์เกิดใหม่ NGC2547-ID8 ร่วมกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ของนาซา ศึกษาพบการระเบิดของฝุ่นรอบดาวฤกษ์ดังกล่าว ที่เกิดจากการชนกันของดาวเคราะห์น้อยขนาดใหญ่รอบดาวเคราะห์ การชนกันลักษณะนี้จะนำไปสู่การก่อตัวของดาวเคราะห์ดวงใหม่เช่นเดียวกับการเกิดดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเราในอดีต งานวิจัยนี้ถูกตีพิมพ์ ในวารสาร Science ที่มี Impact Factor สูงถึง 34.66

           อีกหนึ่งงานวิจัยที่ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ คือการศึกษาชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ GJ3470b นำโดย ดร.ศุภชัย อาวิพันธุ์ นักวิจัยสถาบันวิจัยดาราศาสตร์ ทำการสังเกตการณ์การผ่านหน้าของดาวเคราะห์ GJ3470b ด้วยกล้องโทรทรรศน์ 2.4 เมตร ณ หอดูดาวเฉลิมพระเกียรติ 7 รอบพระชนมพรรษา และกล้องโทรทรรศน์ทางไกลอัตโนมัติซีกฟ้าใต้ ผลการศึกษาพบว่าชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ GJ3470b มีสีฟ้า และมีธาตุมีเทนเจือปนในชั้นบรรยากาศ นับเป็นงานวิจัยชิ้นแรกที่ค้นพบธาตุมีเทนในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบดังกล่าว งานวิจัยนี้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Monthly Notices of the Royal Astronomical Society มี Impact factor 4.961 นอกจากนี้ผลของงานวิจัยนี้ ร่วมกับงานวิจัยอื่นด้านดาวเคราะห์นอกระบบในระหว่างศึกษาระดับปริญญาเอก ของ ดร.ศุภชัย อาวิพันธุ์ ได้รับการคัดเลือกให้ตีพิมพ์เป็นหนังสือในโครงการ Springer Theses ของสำนักพิมพ์ Springer