Znanstvena istraživanja odvijaju se unutar područja Prirodnih znanosti (polja: Matematika, Fizika, Geologija, Kemija, Biologija, Geofizika i Interdisciplinarne prirodne znanosti) te interdisciplinarnih područja znanosti (Geografija), a čine oko 20% ukupne znanstvene produkcije Sveučilišta u Zagrebu. Kao pokazatelj uspješne znanstvene djelatnosti PMF-a treba istaknuti veliki broj znanstvenih radova u vodećim znanstvenim časopisima, kao i postojanje značajnog broja istraživačkih projekata financiranih iz nacionalnih izvora, suradnje s industrijom i institutima, kao i iz međunarodnih izvora. Jedan od temeljnih ciljeva PMF-a je daljnje unapređenje kvalitete znanstvenih istraživanja. Znanstvena produktivnost i istraživački uspjesi se redovito prate i izvješćuju.
U akademskoj godini 2015./2016. Znanstvena djelatnost na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu odvijala se u okviru 117 projekata, od čega je 35 znanstvenih i razvojnih projekta u cijelosti ili većim dijelom financirano iz međunarodnih izvora, a 82 nacionalnim sredstvima (uključujući i 23 bilateralna projekta). Stručna djelatnost odvijala se u okviru 40 stručnih projekat. Prema podatcima u bazama CROSBI i WoS djelatnici PMF-a su u 2016. godini objavili 409 izvornih preglednih i znanstvenih radova u CC časopisima. Više detalja može se pronaći u Godišnjem izvješću o nastavnom i znanstvenom radu na PMF-u akad. god. 2015./2016.
Znanstvena djelatnost u akademskoj godini 2016./2017. odvijala se u okviru 109 projekata od čega je 26 znanstvenih i razvojnih projekata u cijelosti ili većim dijelom financirano iz međunarodnih izvora a 89 nacionalnim sredstvnima (uključujući i 24 bilateralna projekta) Stručna djelatnost odvijala se je u okviru 38 stučnih projekata. Iznimno važna za daljnji razvoj PMF-a su i tri projekta finacirana iz europskih i investicijskih fondova: Znanstveni centar izvrsnosti za kvantne i kompleksne sustave te reprezentacije Liejevih algebri (QuantiXLie), Centar izvrsnosti u kemiji (CIuK) i Centar za napredna istraživanja kompleksnih sustava (CeNIKS).
U akademskoj godini 2017./2018. znanstvena se djelatnost na PMF-u odvijala u okviru 117 projekata, od čega su 24 znanstvena i razvojna projekta u cijelosti ili većim dijelom financirana iz međunarodnih izvora, a 93 nacionalnim sredstvima (uključujući i 31 bilateralni projekt). Stručna djelatnost odvijala se u sklopu 47 stručnih projekata. Znanstvena i razvojna djelatnost financirana iz europskih investicijskih i strukturnih fondova odvijala se u sklopu 9 projekata Europskog fonda za regionalni razvoj i 1 projekta Europskog socijalnog fonda.
U akademskoj godini 2018./2019. znanstvena se djelatnost na PMF-u odvijala u okviru 123 projekata, od čega su 32 znanstvena i razvojna projekta u cijelosti ili većim dijelom financirana iz međunarodnih izvora, a 91 nacionalnim sredstvima (uključujući i 28 bilateralnih projekata). Stručna djelatnost odvijala se u sklopu 56 stručnih projekata. Znanstvena i razvojna djelatnost financirana iz europskih investicijskih i strukturnih fondova odvijala se u sklopu 13 projekata Europskog fonda za regionalni razvoj od kojih su 2 Infrastrukturna projekta, 3 ZCI projekta, 2 IRI projekta i 2 INTERREG projekta te 4 projekta Europskog socijalnog fonda. Posebno se istiću dva infrastrukturna projekta: Centar izvrsnosti u kemiji (CiuK) i Centar za napredna istraživanja kompleksnih sustava (CeNIKS).
Prema podatcima u bazama CROSBI i WoS djelatnici PMF-a su u 2018. godini objavili 479 izvornih preglednih i znanstvenih radova u CC časopisima. Više detalja o znanstvenom radu na PMF-u može se pronaći u Godišnjem izvješću o nastavnom i znanstvenom radu na PMF-u.