Музей тарих, археология, антропология, этнография, деректану, археография салалары бойынша тұрақты түрде ғылыми-зерттеу жұмыстарымен айналысады. Музейдің ұйымдық құрылымында қазіргі кезде ғылыми-зерттеу жұмыстарымен шұғылданатын төрт ғылыми және екі қор бөлімі қызмет атқарады:

• Антропология және этнология бөлімі;
• Археология бөлімі;
• Музейлік деректану және кітапхана бөлімі;
• Қазақстан тарихын зерттеу бөлімі;
• Қор сақтау бөлімі;
• Қорды есепке алу бөлімі.

Музейдің ғылыми-зерттеу жұмысының мақсаты: тарихи және мәдени ескерткіштердің ғылыми-қолданбалы теориялық-методологиялық мәселелерін қарастырып, оларды типологиялық және этномәдени атрибуциялау; ғылыми-жинақтау, ғылыми-сақтау, қалпына келтіру және басқа да зерттеу жұмыстарының қорытындысын жариялау; музей ісі бойынша халықаралық және ведомоствоаралық ғылыми және мәдени ынтымақтастықты жүзеге асыру (әрі нығайта түсу); ғылыми іссапарлар мен археологиялық, антропологиялық, этнографиялық экспедицияларды ұйымдастыру; пән бағыттары, сондай-ақ түрлі музеологиялық ғылыми бағыттар бойынша ғылыми зерттеулер жүргізіп, ғылыми, ғылыми-көпшілік әдебиеттер жариялау.

ҚР ҰОМ ғылыми жұмыстарды жүргізудің нәтижесінде 2005-2026 жылдар аралығында Қазақстанның тарихы мен мәдениетіне қатысты ірі көлемдегі 26 ғылыми-қолданбалы жоба орындады.

Ғылыми бөлімдердің негізгі қызметі төмендегідей бағыттардан тұрады:

– ғылыми қор жұмысы (қорды толықтыру мақсатында материалдарды іріктеу, оларды өңдеу, фотоға түсіру, сипаттамасын жазу, есепке алу және түгендеу, ғылыми атрибуциясын жасау, паспорт жазу және каталогтау);

– ғылыми-зерттеу жұмыстары (көрмелерге және экспозициялардың ғылыми тұжырымдамасын жазу, музей қорындағы, кітапханадағы, архивтегі тақырыпқа қатысты материалдарды табу және зерттеу, оларды осы зерттеудің нәтижесін жариялау, әр тақырыптағы құжаттардың базасын қалыптастыру, коллекциялардың каталогын дайындау және жарыққа шығару, монографиялар дайындау, ғылыми мақалалар жазу, экспедициялар және ғылыми іссапарлар ұйымдастыру, ғылыми-әдістемелік жұмыстар жүргізу);

– мәдени-білім және көрме-экспозиция жұмыстары (тарихты, мәдениетті, археологияны, этнографияны, т.б. дәріптейтін көрмелер және экспозициялар жасау, түрлі тақырыптағы мәдени-білім беру шараларын өткізу және дәрістер оқу).

Археология бөлімі

Бөлім «Ашық қор» және «Қазақстан археологиясы» экспозициялық залдарымен жұмыстар атқарады. Негізгі мақсаты: музейлік археологияның ғылыми әлеуетін арттыру, Қазақстанның ежелгі тұрғындарының материалдық және рухани мәдениетін, музейдің археологиялық коллекциясы тұрғысынан зерттеу болып табылады. Музей археологиялық қазба жұмыстарын жүргізу лицензиясын иеленген. Лицензия, музейдің өзіндік археологиялық зерттеу жұмыстарын жүйелі түрде жүргізіп, археологиялық қорын толықтырып отыруына мүмкіндік береді. Соңғы жылдары Музей Оңтүстік Қазақстан облысының Түркістан және Ордабасы аудандарына археологиялық экспедиция ұйымдастырды (Қаратау мен Күлтөбе топтары және Мемлекеттік Эрмитажбен (РФ) бірлескен археологиялық экспедициясы).

Антропология және этнология бөлімі

Бөлім 2000 жылы бұрынғы Қазан төңкерісіне дейінгі тарих бөлімі негізінде құрылды. 2008 жылдан бастап антропология зертханасымен біріктіріліп, Антропология және этнология бөлімі деп аталды. Бөлімнің мақсаты – музейдің қор коллекциялары негізінде этнографиялық және антропологиялық зерттеулер жүргізу. Бөлімнің негізгі міндеттерінің бірі – музей қорларын қазақтар және Қазақстанда тұратын диаспоралардың тарихы, мәдениеті мен тұрмысына қатысты музейлік заттармен, палеоантропологиялық материалдармен ұдайы толықтыру.

Антропология және этнология бөлімі ХІХ ғ. – ХХІ ғ. басындағы дәстүрлі қазақ мәдениетін музей коллекциясындағы шаруашылық, қолөнер, қару-жарақ, халықтық білім мен дүниетаным, наным-сенім, рухани мәдениет және т.б. қатысты материалдар негізінде зерттейді. Зерттеу тақырыбына қатысты материалдарды анықтау мен жинақтау мақсатында Қазақстан аумағы мен одан тысқары жерлерде археографиялық іссапарлар, этнографиялық экспедициялар ұйымдастарады.

Бөлімде атқарылған іргелі еңбектің бірі ретінде 2010-2014 жылдар аралығында жарық көрген, әрқайсысының көлемі 85 б/т. болатын бес томдық «Қазақтың этнографиялық категориялар, ұғымдар мен атауларының дәстүрлі жүйесі» атты энциклопедияны атауға болады.

Қазақстан тарихын зерттеу бөлімі

Қазақстан тарихын зерттеу бөлімі Қазақстан тарихы мәселелеріне байланысты ғылыми-зерттеу және мәдени-білім беру қызметін жүзеге асырады. Бөлімнің негізгі мақсаты Қазақстанның тарихы мен мәдениетін музейдің қор коллекциялары негізінде зерттеу. Бөлім Қазақстан тарихының әртүрлі тақырыптары бойынша деректі база құрады, музей қорларынан, кітапханалардан, мұрағаттардан материалдарды іздестіреді, анықтайды және зерттейді, музейлік мәнді заттарды жинауға арналған экспедицияларды және ғылыми іссапарларды ұйымдастыруға қатысады, музей қорлары бойынша ғылыми-зерттеу жұмысын жүргізеді. Қазақстан тарихын зерттеу бөлімінің көрмелік-экспозициялық (Қазақстанның тарихын дәріптейтін көрмелер мен экспозициялар құру), сондай-ақ ғылыми-қор жұмысы маңызды қызметінің бір болып табылады.

Музейлік деректану және кітапхана бөлімі

Музейлік деректану және кітапхана бөлімі 1999 жылы құрылды. Бөлімнің басты мақсаты сирек кездесетін қолжазбалар мен басылымдарды және нумизматика, геральдика, сфрагистика, эпиграфика, бонистика, филателия, филокартия салаларына қатысты экспонаттарды анықтау, іріктеу, актілеу, ғылыми төлқұжаттау, ғылыми каталогтау, деректанулық тұрғыдан зерттеу болып табылады.

ҚР ҰОМ қорындағы араб, парсы, түрік, шағатай, татар, ескі қазақ (төте жазу) және т.б. тілдерде жазылған түпнұсқа қолжазбаларды, Шығыс нумизматикасы коллекцияларын зерттеу бөлімнің негізгі бағыты болып табылады. Бұдан өзге орталық қызметкерлері Қазақстан тарихы мен мәдениетін дәріптейтін арнайы тақырыптық көрмелер ұйымдастыру, музей қорларын тың материалдармен толықтыру, дәріс-экскурсия және ғылыми-әдістемелік жұмыстар, Қазақстан тарихы мен мәдениетіне байланысты мұрағаттық материалдарды, жазба ескерткіштерді зерттеу, ғылыми іссапарлар ұйымдастыру бағыттарында жұмыстар атқарады. Бөлімге қарасты ғылыми кітапхана кітап қорын, мерзімді басылымдарды жинақтау, сақтау және оқырмандарға қызмет көрсету міндетін атқарады.

Музейлік деректану және кітапхана бөлімі тарапынан 2011 жылы «ҚР МОМ қорындағы сирек кездесетін қолжазбалар мен басылымдар» атты ғылыми каталогы басылып шықты. 2013-2014 жылдары «Қазақстан Республикасының Мемлекеттік Орталық музей қорындағы шығыс монеталары: шағатай монеталарының Алматы көмбесі» атты иллюстрацияланған ғылыми каталогтың 1-томының 1-2-ші кітаптары жарық көрді.

Музейдің қор бөлімдері

Қазақстан Республикасы Ұлттық  орталық музей қоры ежелгі заманнан қазіргі кезеңге дейінгі Қазақстан тарихын бейнелейтін материалдық және рухани мәдениет құндылықтарынан тұратын 300 мыңға жуық сақтам бірлікті құрайды.

Ғылыми-қор жұмысының негізгі міндеттері – есепке алу-сақтау құжаттары мен бақылау жүйелерін реттеу, музей қорындағы музей коллекцияларының сақталуын қамтамасыз ету, зерттеу және насихаттау.

Құрылымы жағынан музей қоры мынадай екі бөлімге бөлінеді:

- қорды есепке алу бөлімі;

- қор сақтау бөлімі.

Есепке алу секторы 1978 жылы құрылды. Есепке алу секторының алғашқы жетекшісі – Ш.Ж. Тукешова болды. 1985-1989 жж. аралығында музей қорына музейлік заттар  көптеп түсті. Сол себептен 1990 жылы музейлік заттар санының артуына байланысты есепке алу секторын бөлім ретінде қайта құру туралы шешім қабылданды. Қорды есепке алу бөлімі музейлік мәні бар заттарды қабылдап, музейдің есепке алу-сақтау құжаттарын жүргізеді.

Қорды есепке алу бөлімі жұмысының негізігі бағыттары:

-  музей заттарын алғаш қабылдау және есепке алу;

-  есепке алу құжаттарын рәсімдеу;

-  анықтамалық картотека жүргізу арқылы мемлекеттік тіркеудегі экспонаттарды жылдам іздеуді қамтамасыз ету;

-  материалдық жауапкершілікке беру актісі бойынша музейлік заттарды Қор сақтау бөлімі мамандарына өткізу және есеп белгілерін қою;

-  қордағы музей заттарын түгендеу және қабылдау-өткізу жұмыстарына қатысып, оның уақытында өткізілуін қадағалау;

-  қор сатып алу (қор-іріктеу) комиссиясының отырысына қатысып, хаттама жүргізу;

-  алғашқы есепке алу құжаттамасын тіркеу;

-  республикалық, облыстық және т.б. музейлерден келген музей қызметкерлеріне, іс-тәжірибеден өтушілерге, жоғары оқу орындарының студенттеріне және т.с.с. кеңестер беріп, арнайы дәрістер өткізу.

Қор сақтау бөлімі

Қор сақтау бөлімі Қазақстан Республикасының Ұлттық орталық музейінің құрылымдық бөлімшесі болып табылады және өз қызметін музейдің Жарғысына сәйкес жүзеге асырады. Бөлімнің басты міндеті – музей құндылықтарының сақталуын қамтамасыз ету, мәдени құндылықтарды ұрлану мен бұзылудан қорғау, сондай-ақ, оларды зерттеуге және насихаттауға қолайлы жағдай жасау болып табылады. Қор сақтау бөлімі мамандарының негізгі міндетіне тікелей қор коллекцияларын сақтау кіреді.

Бөлімнің қызметі материалдық мәдениет ескерткіштерін табиғи тозудан, механикалық зақымданудан, қоршаған ортаның қолайсыз әсерінен, сондай-ақ ықтимал жоғалу мен ұрланудан қорғауға бағытталған. Музей коллекцияларын сақтау үшін температуралық-ылғалдылық режимін, жарықтандыру талаптарын және санитарлық нормаларды сақтай отырып, оңтайлы жағдайлар жасауға ерекше көңіл бөлінеді.

Бөлім мамандары музей заттарының сақталу жағдайына жүйелі түрде бақылау жүргізеді, олардың зақымдануының алдын алу мақсатында профилактикалық іс-шаралар ұйымдастырады, қор коллекцияларын арнайы қор сақтау қоймаларында орналастыру мен ұтымды сақтауды қамтамасыз етеді. Жұмыстың маңызды бағыттарының бірі – музейлік заттарды көрмелер мен экспозициялар ұйымдастыру кезінде дұрыс буып-түю, тасымалдау болып табылады.

Қор сақтау бөлімінің мамандары музейлік заттарды ғылыми түгендеу, сипаттау, каталогтардың анықтамалық-ақпараттық және іздеу жүйелерін жүргізу, кеңейтіп, толықтыру, музей қорының ғылыми жіктемесін дайындау, музейдің тұрақты экспозицияларын, уақытша тақырыптық көрмелерін, ғылыми-зерттеу және мәдени жобаларын дайындауға белсенді түрде қатысады. Қор коллекциялары негізінде бөлім қызметкерлері ғылыми зерттеулер жүргізуге жәрдемдесіп,  мамандарға, зерттеушілерге және студенттерге кеңес береді, сондай-ақ Қазақстан Республикасының тарихи-мәдени мұрасын насихаттауға ықпал етеді.

Қалпына келтіру бөлімі

ҚР ҰОМ-де Қалпына келтіру бөлімі 1985 жылдан бері жұмыс жасап келеді. Бөлім коллекциялардың сақталу дәрежесін қадағалап, қалпына келтіру жұмыстарын жүргізіп отыру, консервациялау, экспедициялық түсімдерді физикалық, микробиологиялық және химиялық қорғау шараларын жүргізу қызметін атқарады. Музей қорындағы және экспозицияларындағы кілем-киіз бұйымдары, киім, қару-жарақ, металл, тері мен сүйектен жасалған бұйымдар, баспа материалы мен жазбалық құжаттар ескерткіштері, графика, ағаштан жасалған сәндік-қолданбалы өнер заттары, жиһаздар, фарфор мен қыш бұйымдарын қалпына келтіру жұмыстарын жүзеге асырады. Бөлімнің қызметкерлері музей көрмелерін безендіруге қатысады, экспонаттарды қалпына келтіру және консервациялау мәселелері бойынша кеңестер береді, студенттерге музейлік практика аясында дәрістер өткізеді. Қалпына келтірілген экспонаттарды Қалпына келтіру кеңесінің мүшелері қабылдайды және оның мәжілісі тоқсан сайын өткізіліп отырады.