สำนักวิจัย สถาบันวิจัยจุฬาภรณ์ มีพันธกิจหลักในการดำเนินงานวิจัย สำนักวิจัยประกอบด้วย ห้องปฏิบัติการวิจัย 9 ห้องปฏิบัติการ ศูนย์เฉพาะกิจ 3 ศูนย์ และสำนักงานสำนักวิจัย

• ห้องปฏิบัติการวิจัยดำเนินงานวิจัย 3 ด้าน ได้แก่ งานวิจัยด้านเคมี งานวิจัยด้านชีวการแพทย์ และงานวิจัยด้านพิษวิทยาและอนามัยสิ่งแวดล้อม
• โครงการวิจัยเชิงบูรณาการเพื่อตอบโจทย์ของประเทศ ได้แก่ การศึกษาวิจัยโรคมะเร็งตับและท่อน้ำดี งานวิจัยพัฒนายาเคมีรักษาโรคมะเร็ง โดยบูรณาการองค์ความรู้และความร่วมมือระหว่างห้องปฏิบัติการวิจัย
• การใช้ประโยชน์งานวิจัย โดยศูนย์เฉพาะกิจ ได้แก่ ศูนย์วิจัยเพื่อการประยุกต์ใช้ ศูนย์วิจัยและพัฒนาชีววัตถุ ศูนย์สัตว์ทดลอง
• หน่วยงานสนับสนุน ได้แก่ สำนักงานสำนักวิจัย และศูนย์สัตว์ทดลอง