Η έρευνα που εκπονείται στο ΤΜΒΓ επικεντρώνεται στην μελέτη βιολογικών φαινομένων και μηχανισμών στο μοριακό και γενετικό επίπεδο και κινείται σε τρεις κύριους άξονες: τη Βιοϊατρική με έμφαση στις ανθρώπινες ασθένειες, τη Βιοτεχνολογία με έμφαση στην εφαρμοσμένη μικροβιολογία και στα φυσικά προϊόντα και την Μοριακή Αγροβιολογία με έμφαση στη μοριακή βιολογία εντόμων και μικροοργανισμών. Σημαντική θέση κατέχουν επίσης επιμέρους ερευνητικές δραστηριότητες μελών ΔΕΠ στους τομείς της Βιοπληροφορικής, της Υπολογιστικής και Δομικής Βιολογίας, της Οικολογίας/Βιοποικιλότητας και της Φαρμακευτικής/Θεωρητικής Χημείας. Τέλος, εξειδικευμένη έρευνα στον τομέα της Συμβουλευτικής και της Διαχείρισης της Σταδιοδρομίας συμβάλλει στη δημιουργία προϋποθέσεων για επιτυχημένη επαγγελματική καριέρα των αποφοίτων του ΤΜΒΓ και άλλων βιοεπιστημόνων.

Η ερευνητική προσέγγιση που εφαρμόζεται στο ΤΜΒΓ στηρίζεται στην διεπιστημονικότητα και τη συνένωση δυνάμεων μέσω πολλαπλών συνεργασιών που αναπτύσσονται μεταξύ των μελών ΔΕΠ, και στοχεύει στην κεφαλαιοποίηση της επιμέρους εξειδίκευσης των ερευνητικών ομάδων του Τμήματος και του διεθνούς χαρακτήρα της έρευνας που εκπονείται.  Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται επίσης στην εδραίωση συνεργασιών με το Τμήμα Ιατρικής και με άλλα τμήματα του ΔΠΘ.  Αποτελέσματα της παραπάνω στρατηγικής αποτυπώνονται τα τελευταία χρόνια στην επιτυχημένη προσέλκυση ερευνητικών πόρων από ανταγωνιστικά ερευνητικά προγράμματα και την παραγωγή επιστημονικών δημοσιεύσεων με διεθνή απήχηση.