การดำเนินงานของสำนักวิจัยแบ่งเป็นหน่วยงานย่อย 3 หน่วยงาน ดังนี้

1. งานวิจัยทางวิทยาศาสตร์
2. งานบริหารสำนักวิจัย
3. งานพัฒนาบุคลากร

ผลการดำเนินงานที่ผ่านมาของแต่ละหน่วยงานย่อยของสำนักวิจัย มีดังนี้

1.1 งานวิจัยทางวิทยาศาสตร์

งานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ซึ่งดำเนินการต่อเนื่องในขณะนี้ประกอบด้วย งานวิจัยพื้นฐาน 4 สาขา ได้แก่ เคมี วิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์ พิษวิทยาสิ่งแวดล้อม และเทคโนโลยีชีวภาพ และโครงการวิจัยแบบบูรณาการ ซึ่งนำเอาความรู้จากงานวิจัยพื้นฐาน 4 สาขา มาประยุกต์ใช้เพื่อให้ได้ผลงานที่สมบูรณ์ 3 เรื่องใหญ่ ได้แก่ โครงการวิจัยแบบบูรณาการ “ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติเพื่อพัฒนาเป็นยา” “โรคมะเร็ง” และ “โรคมาลาเรีย”
ปัจจุบันสถาบันฯ มีโครงการวิจัยซึ่งดำเนินการต่อเนื่อง 37 โครงการ และโครงการซึ่งเริ่มดำเนินการปี 2546 อีก 3 โครงการ โครงการซึ่งได้ผลสมบูรณ์ 3 โครงการ ดังรายละเอียดใน รายชื่อโครงการวิจัย สำนักวิจัย

นอกเหนือจากงานวิจัยแล้ว สำนักวิจัยยังมีงานเพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการดำเนินงานวิจัย ได้แก่

• ได้มีการทำสัญญาความร่วมมืองานวิจัยด้านวิทยาศาสตร์กับมหาวิทยาลัยที่มีชื่อเสียงในต่างประเทศ
• ได้จัดหาครุภัณฑ์จำเป็นเฉพาะทาง ครุภัณฑ์ย่อยสำหรับงานวิจัยและสนับสนุนโครงการบัณฑิตศึกษาของสถาบันฯ และครุภัณฑ์ประจำอาคารสัตว์ทดลอง
• จัดให้มีการสัมมนาพิเศษ (Special Seminar) โดยผู้เชี่ยวชาญชาวต่างประเทศให้เกียรติรับเชิญมาบรรยาย

1.2. งานบริหารสำนักวิจัย

ดำเนินการเพื่อสนับสนุนการดำเนินงานในโครงการวิจัยต่างๆ ของห้องปฏิบัติการ โดย

1. จัดหาครุภัณฑ์วิทยาศาสตร์ ครุภัณฑ์จำเป็นเฉพาะทาง และครุภัณฑ์สำนักงาน เพื่อใช้ในการดำเนินการวิจัยพื้นฐานในงานวิจัยด้านเคมี วิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์ พิษวิทยาสิ่งแวดล้อม และเทคโนโลยีชีวภาพ และโครงการวิจัยแบบบูรณาการ 3 ด้าน โดยจัดหาผ่านคณะกรรมการจัดหาครุภัณฑ์วิทยาศาสตร์ของสถาบันฯ
2. ดูแลรักษาเครื่องมือวิทยาศาสตร์ให้ใช้งานได้เต็มประสิทธิภาพและประหยัดทรัพยากร
3. ประสานงานการติดตามและประเมินผลการดำเนินงานโครงการวิจัย ให้เป็นไปตามวัตถุ-ประสงค์ที่ตั้งไว้ รวมทั้งการจัดทำโครงการประกันคุณภาพงานวิจัย
4. จัดเตรียมคำขอตั้งและคำชี้แจงรายจ่ายงบประมาณของสำนักวิจัย

1.3. งานพัฒนาบุคลากร

งานพัฒนาบุคลากรเป็นงานซึ่งส่งเสริมความแข็งแกร่ง เพิ่มศักยภาพ และความเป็นเลิศทางวิชาการแก่สถาบันฯ การร่วมมือในเชิงวิจัยจะก่อให้เกิดการถ่ายทอดเทคโนโลยีแลกเปลี่ยนข้อมูล ซึ่งจะทำให้เกิดความร่วมมือในการศึกษาวิจัยระดับชาติและนานาชาติ อันจะนำไปสู่การเป็นศูนย์กลางความร่วมมือในงานและประสานงานวิจัยและการถ่ายทอดเทคโนโลยีระดับภูมิภาค บุคลากร/นักวิจัยเป็นส่วนสำคัญในการดำเนินงานโครงการบัณฑิตศึกษา Inter-University Program ซึ่งเป็นโครงการร่วม 3 สถาบัน ระหว่างสถาบันวิจัยจุฬาภรณ์ สถาบันเทคโนโลยีแห่งเอเซีย และมหาวิทยาลัยมหิดล ซึ่งจะผลิตบุคลากรระดับสูงให้แก่ประเทศไทย และประเทศกำลังพัฒนาอื่นๆ ในสาขาพิษวิทยาสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีและการบริหารจัดการ (Environmental Toxicology, Technology and Management) ซึ่งเป็นสาขาขาดแคลน และมีความจำเป็นเร่งด่วนในการพัฒนาประเทศ โครงการบัณฑิตศึกษานี้ได้เปิดรับนักศึกษาเมื่อปี พ.ศ. 2542

งานพัฒนาบุคลากรสามารถพัฒนาศักยภาพของนักวิจัย และทำให้เกิดความร่วมมือภายในสถาบันและในการวิจัยระดับชาติ/ระดับนานาชาติหลายโครงการ อาทิ โครงการวิจัยร่วมระหว่างห้องปฏิบัติการเภสัชเคมีและอินทรีย์เคมี ห้องปฏิบัติการผลิตภัณฑ์ธรรมชาติและเภสัชวิทยา โครงการร่วมห้องปฏิบัติการการเกิดมะเร็งจากสารเคมีกับ International Agency for Research on Cancer (IARC)
ประเทศฝรั่งเศส โครงการวิจัยร่วมห้องปฏิบัติการการเกิดมะเร็งจากสารเคมีและห้องปฏิบัติการพิษวิทยาสิ่งแวดล้อม และโครงการร่วมระหว่างห้องปฏิบัติการพิษวิทยาสิ่งแวดล้อม ห้องปฏิบัติการเภสัชวิทยา และ M.D. Anderson Cancer Center University of Texas ประเทศสหรัฐอเมริกา ทั้งนี้ได้มีการแลกเปลี่ยนนักวิจัย ซึ่งนักวิจัยผู้เชี่ยวชาญต่างประเทศเดินทางมาให้คำบรรยายและสอนแสดง หรือนักวิจัยได้รับการสนับสนุนให้เดินทางไปฝึกอบรมหรือเสนอผลงานวิจัยหรือสนับสนุนบุคลากรนอกสถาบันฯ