近些年国家自然博物馆主要面向古生物学、动物学、植物学、生态学、地质学、古人类学等基础学科开展野外科考、科研和博物馆学研究，在古生物研究领域取得多项重要成果，在国际学术期刊Nature和Science累计发表论文十余篇
国家自然博物馆目前有科研人员逾三十人，大部分获得博士学位或高级职称，承担了国家、部位北京市的各级科研项目课题，如“陆地植物的起源和早期演化”“中国毛蚊科现生及化石种类分类学和系统发育研究”“陕西子洲恐龙足迹化石及其古生态与古地理意义”“山东诸城地区上白垩统的巨型山东龙的形态学、系统发育学和个体发育学研究”等国家自然科学基金项目；“内蒙古鄂托克旗下白垩统恐龙足迹和鸟类足迹研究及其古环境与古地理意义”“中国东北中生代晚期古蝉多样性及其演化历程（半翅目——蝉亚目）”“矛尾鱼基因敲除模型的建立及功能分析”“中国孢子植物志.地衣志”等北京市自然科学基金等科研项目
自中央自然博物馆筹备处创建以来至今已承担完成各级科研项目百余项
日前国家自然博物馆还完成了国家科委委托的“关于建立国家自然科学博物馆的可行性研究”项目
成果获奖上个世纪科研人员获得的奖项有陈绍煋研究馆员参与的《天山托木尔峰地区的高等植物区系调查》获中国科学院重大科研成果二等奖；甄朔南研究馆员等人的《中国恐龙足迹研究》完成了对中国恐龙足迹的开创性研究；王绍芳研究馆员的《湘中晚石炭世底栖动物古生态及群落研究》分获北京市科学技术进步奖二、三等奖等
近些年获奖有：2009年，洪友崇先生荣获第十一次李四光地质科学奖地质科技研究者奖；2011年“小型兽脚类恐龙（近鸟龙）羽毛颜色预测”获北京科学技术研究院十大优秀科技成果奖；2013年，“中国辽宁首次发现侏罗纪多瘤齿兽类哺乳动物”研究获评十大科技进展，“中国中生代晚期古蝉科昆虫化石研究”获北京科学技术研究院2013年优秀科技成果，“燕辽——热河生物群重要脊椎动物宏演化与生态多样性研究”北京市科学技术奖一等奖，“鄂尔多斯盆地恐龙足迹和鸟类足迹研究及其古环境和古地理意义”北京市科学技术奖三等奖；2015年，孟庆金获北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才称号，同年李竹获北京科学技术研究院优秀科技成果奖；2016年，李建军获颁“北京市科学普及项目先进个人”称号；2017年，“哺乳动物基干支系生态适应多样性研究”获2016年度北京市科学技术研究院优秀成果一等奖，“侏罗纪滑翔哺乳形类动物的新发现”获2017年中国古生物十大进展；2018年度，获“突出贡献单位”集体科技创新项奖，孟庆金获“科技创新成就奖（杰出）”个人科技创新奖项等
学术活动国家自然博物馆还和国外开展了一些合作研究项目，如与美国地球探索协会合作的宁夏回族自治区同心县古生物考察，与美国新墨西哥洲自然博物馆合作的云南禄丰下侏罗纪似哺乳爬行动物研究以及杨思谅研究馆员与德国圣肯堡自然博物馆合作的蟹类研究；饶成刚研究馆员曾与美国学者在美国《科学》杂志上共同发表了“早期鸟类飞翔与攀握：来自中国下白垩统地区的新化石证据”的论文
1994年与柳州白莲洞洞穴博物馆联合举办了“中国古人类与史前文化渊源关系”国际学术讨论会
中国自然科学博物馆协会于1993年举办了“自然科学博物馆与环境”国际学术讨论会
2010年与美国洛杉矶自然历史博物馆（NaturalHistoryMuseumofLosAngelesCounty）就反鸟类和基干鸟类（会鸟）标本开展合作研究
2017年，协办首届“一带一路”科普场馆发展国际研讨会，共有来自“一带一路”沿线22个国家24个科普场馆和机构的44位馆长和负责人，以及中国国内包括自然历史博物馆、科学技术馆、天文馆、国土资源博物馆等在内的8大类74家科普场馆和机构、15家科普企业的130余位馆长和负责人参会，围绕“一带一路”沿线国家科普场馆合作进行深入探讨
2018年，作为主办方之一举办的“中生代哺乳动物国际研讨会”在北京召开，来自美国、加拿大、英国、德国、俄罗斯以及中国的50多位知名专家和学者出席会议
2021年11月26日，主办“国际自然历史博物馆的发展趋势及挑战”线上研讨会
会议邀请了来自国内外自然博物馆的负责人共话新时代博物馆创新发展
出版读物1980年，创刊发行专业学术刊物《北京自然博物馆研究报告》，以及《大自然》科普杂志
科普期刊《大自然》由国家自然博物馆与中国自然科学博物馆协会、中国野生动物保护协会共同主办，1997年被中国科协评为优秀科技期刊
1982年，出版大型图册《生物史图说》
国家自然博物馆先后出版一些有代表性的科研专著和科普读物，如甄溯南的《中国恐龙足迹研究》、蔡其侃的《北京鸟类志》、王鸿媛的《北京鱼类志》、刘思孔与他人合著的《中国蝶类志》及《中国鸟类食毛目的研究》等
馆内有关专家还直接参与了《中国大百科全书》《中国植物志》等专著的编纂工作