המחקר במחלקה מתמקד בהיבטים קוגניטיביים, חברתיים, תרבותיים ורגשיים של תהליכי הלמידה, ההוראה וההתמקצעות בהוראת המדעים ובמתמטיקה. כל זאת תוך כדי הפעלה של מגוון שיטות מחקר: איכותניות, כמותיות ומשולבות, ובהיקפים שונים: ממחקרים בהיקף קטן ומעמיק של תהליכי למידה והוראה המתחקים אחר התפתחותם של תהליכים אלה (למשל, במסגרת של חקרי מקרה) ועד מחקרים רחבי היקף של הישגים, עמדות והתפתחות מקצועית של מורים.
רוב המחקר מתבצע בגישה אשר שמה דגש על ההיבטים התוכניים, תפיסות העולם והפרקטיקות בתחומי הדעת (גישה מבוססת דיסציפלינה – discipline-based education, NRC 2012). המחקר מתבצע בהקשרים מורכבים ואותנטיים (כיתות, בתי ספר, חמרי למידה בשימוש תלמידים) כאשר תלמידי המחקר, עובדי המחלקה ומורים המשתתפים במסגרות שונות של פעילות המחלקה נוטלים חלק בתכנון, ביצוע, ניתוח והסקת מסקנות. תכונה זו יוצרת סינרגיה ברוכה בין תאוריה, מחקר ופרקטיקה בכל תחומי העשייה: פיתוח קוריקולרי, שילוב סביבות מגוונות וחדשניות בלמידה והוראה (כגון, סביבות מבוססות טכנולוגיה, סביבות חוץ-כיתתיות, סביבות בלתי פורמליות כגון מוזאונים), למידת מורים וטיפוחם המקצועי, הערכה מעצבת ומסכמת.
המחלקה להוראת המדעים במכון ויצמן עוסקת בפיתוח מבוסס-מחקר מאז היווסדה. חומרי הלמידה מבוססים על ידע אקדמי הרלוונטי לנושא המפותח שהתבצע בארץ ובעולם ומלווים בניסוי ומחקר המובילים לפיתוח גרסאות מתקדמות של חומרי הלמידה וההוראה.