Junto com a assistência e o ensino, a pesquisa compõe o tripé que dá sustentação à missão institucional do IMIP, desde a sua fundação. Já nas décadas de 1960 e 1970, o IMIP teve uma participação marcante em estudos clássicos como a Investigação sobre Padrões de Mortalidade Infantil nas Américas. Em 1987 foi formalizada a criação de um núcleo de pesquisas, que se notabilizou pelos estudos na área de nutrição materno-infantil. Com o crescimento das atividades, a pesquisa ganhou status de Diretoria no ano 2000.

A Diretoria de Pesquisa tem como objetivo coordenar, orientar e apoiar o desenvolvimento das atividades de pesquisa e produção de conhecimento em todo o IMIP. Atualmente existem sete grupos de pesquisas cadastrados na plataforma Lattes do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). São eles: Saúde da Mulher, Saúde da Criança, Gestão e Avaliação de Serviços de Saúde, Oncologia, Estudos da Violência, Estudos em Cirurgia e Nutrição.

Com reconhecida experiência e referência nacional na identificação de processos inovadores na prevenção e tratamento de doenças, o IMIP criou o Centro de Pesquisas Clínicas (CPC), com o apoio dos Ministérios da Saúde e da Ciência e Tecnologia. O CPC agrega todas as pesquisas clínicas desenvolvidas na instituição. Para isso, dispõe de enfermaria com 36 leitos e infraestrutura própria.

Desde 2009 funciona o Laboratório de Pesquisa Translacional Prof. C. Anthony Hart (LPT-CAH). Trata-se do primeiro laboratório do IMIP voltado prioritariamente para o apoio às atividades de pesquisa. Sua concepção é a de uma plataforma multiusuário, ou seja, o espaço e os equipamentos serão compartilhados pelos diversos grupos de pesquisa do IMIP.

Com uma abordagem bastante moderna em saúde, a pesquisa translacional tem sido aplicada nos maiores centros de pesquisa do Brasil e do mundo. A pesquisa translacional pode ser definida como a tradução efetiva dos achados das pesquisas biomédicas para a prática clínica e para a tomada de decisão da área da saúde, visando atingir o principal objetivo de melhorar a saúde humana. Ou seja, é aquela que transforma a descoberta da academia numa ferramenta de uso médico.

Este Laboratório de Pesquisa Translacional é fruto de um investimento do IMIP, através do Fundo de Apoio à Pesquisa e ao Ensino (FAPE), e visa incrementar a prática de pesquisas de alto nível desenvolvida por este Instituto, além de apoiar o ensino de pós-graduação stricto sensu. O principal objetivo do Laboratório é, portanto, oferecer condições para a utilização das ferramentas da biologia nos projetos dos grupos de pesquisa do IMIP.

Outro componente importante, o Comitê de Ética em Pesquisa em Seres Humanos do IMIP é registrado na Comissão Nacional de Ética em Pesquisa (CONEP) e aprova anualmente mais de 100 projetos de pesquisa.

Trabalhando em estreita relação com o ensino da pós-graduação, a pesquisa no IMIP é ainda beneficiada pelos diversos intercâmbios institucionais e conta com o apoio de  organizações como Ministérios da Saúde e Ciência & Tecnologia, OPAS, UNICEF, UNESCO, OMS, além de importantes Universidades e Centros de Pesquisa no Brasil e no mundo.