Поскольку основу музейного собрания составляли слепки, научная деятельность представлялась его создателям прежде всего как «просветительская». Однако незадолго до открытия в Музей поступили коллекция памятников Древнего Египта В.С. Голенищева, коллекция итальянской живописи XIII–XV веков М.С. Щекина и нумизматическая коллекция. Эти собрания подлинников оказались в центре научных интересов сотрудников Музея. Уже с 1912 года начали публиковаться отдельные памятники из этих собраний. В 1912–1913 годах вышли в свет четыре выпуска «Памятников Государственного музея изящных искусств», которые были посвящены произведениям древнеегипетского искусства из собрания Музея. Авторами статей были известные ученые, основоположники науки об искусстве Древнего мира Б.А. Тураев, В.К. Мальмберг, М.И. Ростовцев, Б.В. Фармаковский. В последующие годы появились публикации, посвященные памятникам античности, авторами которых были В.Д. Блаватский, Л.П. Харко, Н.М. Лосева.
В апреле 1923 года Наркомпрос принял решение об устройстве в Москве центрального Музея старой западной живописи на основе западноевропейского собрания Московского Публичного и Румянцевского музеев с размещением его в здании Музея изящных искусств. В 1924 году в музей поступили картины из бывших собраний Г.А. Брокара, Д.И. Щукина, а также произведения из Государственного музейного фонда. Значительная часть картин была передана из музеев Ленинграда. Это позволило научному коллективу Музея во главе с директором, профессором Н.И. Романовым, создать первую научную экспозицию картинной галереи, которая открылась 10 ноября 1924 года.
Благодаря реорганизации Музея в начале 1920-х годов изменилась и значительно расширилась направленность научной деятельности, появились публикации и издания, посвященные живописным собраниям Музея, научные интересы сотрудников сместились к изобразительному искусству Нового и Новейшего времени.
Среди новых периодических научных изданий следует отметить сборник «Жизнь музея», начавший выходить в 1925 году. С 1939 года стали издаваться «Труды Государственного музея изобразительных искусств имени А.С. Пушкина» под редакцией В.Н. Лазарева. По сравнению с издаваемыми 1910–1920-х годах «Памятниками Государственного музея изящных искусств», посвященных искусству Древнего мира, «Труды» представляли новый тип научного сборника, в котором в соответствии с расширением состава музейных коллекций была выработана четкая структура и очередность в содержании: «Западноевропейское искусство», «Искусство античного мира», «Искусство Древнего Востока». Таким образом, в основу был положен критерий приоритета, определявший значимость и ценность фондов, составляющих собрание Музея и направления его деятельности.
В 1948 году, в связи с закрытием Государственного музея нового западного искусства (ГМНЗИ) в Музей поступили произведения французских художников, импрессионистов и постимпрессионистов из собраний московских коллекционеров И.А. Морозова и С.И. Щукина, а также графическое собрание и архив, что нашло отражение в научно-исследовательской деятельности сотрудников.
С приходом в музей В.Р. Виппера, занимавшего с 1944 года пост заместителя директора по научной работе, направленность исследований смещается от публикации отдельных памятников к созданию полных каталогов (каталогов-резоне) отдельных коллекций музейного собрания. Эта работа по систематизации и публикации фондов Музея продолжается и сегодня.
Одновременно Музей всегда был открыт для самых разных научных контактов. С самого начала 1960-х годов, благодаря инициативам директора Музея И.А. Антоновой, научные, творческие и партнерские связи ГМИИ им. А.С. Пушкина чрезвычайно расширились. Необычайно многогранной стала выставочная деятельность, которая теперь выстраивается в соответствии с научной тематикой. При формировании концепций выставок кураторы, как правило, стремятся выделить и акцентировать в экспозиции определенную проблематику истории искусства, благодаря чему выставочные каталоги нередко приобретают характер монографических научных исследований.
Расширяя свои научные связи, Музей активно сотрудничает с кафедрой теории и истории искусства Московского университета, со Всесоюзным научно-исследовательским институтом искусствознания, Академией художеств и Академией наук. В Музее проводятся совместные научные конференции, ведется подготовка различных тематических сборников по искусствознанию.
С 1968 года в Музее регулярно проводятся «Випперовские чтения», которые за короткий срок приобрели огромный авторитет среди искусствоведов. Одновременно в Музее ежегодно проходит Отчетная научная сессия, на которой сотрудники освещают наиболее важные аспекты научно-исследовательской, хранительской и реставрационной работы, проделанной за год.
В 1985 году по инициативе крупнейшего коллекционера и искусствоведа И.С. Зильберштейна и директора ГМИИ им. А.С. Пушкина И.А. Антоновой на правах научного отдела был создан Музей Личных коллекций, официально открытый в 1994 году. Фонды Музея Личных коллекций составляют собрания, переданные в дар частными коллекционерами.
Одним из главных направлений научной деятельности Музея является изучение истории коллекционирования в России, в рамках которого организуются многочисленные выставки, сопровождающиеся научными каталогами, среди которых наиболее значимыми являются исследования о коллекциях И.С. Зильберштейна, кн. Голицыных, А. Брокара, П.Д. Эттингера. Фундаментальное издание «Эра Румянцевского музея», касающееся становления музейного дела в стране, вышло в свет в связи с предстоящим 100-летним юбилеем ГМИИ.
В 2006 году состоялась первая конференция «Зильберштейновские чтения», посвященная 100-летию И.С. Зильберштейна. В 2009 году чтения прошли второй раз, они были посвящены 175-летию со дня рождения С.М. Третьякова. Тематикой конференций «Зильберштейновские чтения» становятся проблемы коллекционирования в России и за рубежом, круг обсуждаемых вопросов весьма широк и касается исторических, архивных, атрибуционных и юридических аспектов.
Помимо названных выше постоянных научных сессий, в Музее регулярно проводятся конференции, посвященные выставочной, экспозиционной, археологической и просветительской деятельности, а также конференции, связанные с отдельными искусствоведческими проблемами.
С 1927 года регулярно проводятся археологические экспедиции, что является одним из важнейших направлений научно-исследовательской работы ГМИИ им. А.С. Пушкина. Первые раскопки начали проводить сотрудники музея В.Д. Блаватский, Н.М. Лосева, М.М. Кобылина, Л.П. Харко. Они приняли участие в составе экспедиции Государственной академии истории материальной культуры (теперь Институт археологии РАН). Сотрудники Музея обследовали античные поселения Таманского полуострова, в том числе Фанагорию, крупнейший центр Азиатского Боспора. В 1944 году в Музее был создан специальный Отдел археологических раскопок и экспедиций, который до 1947 года возглавлял В.Д. Блаватский. Основными задачами нового отдела стали исследования крупнейших античных центров Северного Причерноморья — Пантикапея (современная Керчь) и Фанагории, а также Неаполя Скифского близ Симферополя. Летом 1945 года объединенная экспедиция Музея и Института истории материальной культуры выезжает в Керчь; с 1958 года и по сей день ГМИИ им. А.С.Пушкина ведет эти работы самостоятельно, сначала под руководством И.Д. Марченко (1959–1976), а затем В.П. Толстикова (с 1977 года). В течение пяти лет, с 1946 года, еще одна экспедиция Музея, возглавляемая П.Н. Шульцем, исследовала богатейший мавзолей Неаполя Скифского.
Помимо археологических работ в Крыму и на Таманском полуострове, в течение двадцати лет (1951–1970 года) сотрудники Отдела Древнего Востока принимали активное участие в раскопках урартской крепости Эребуни на холме Аринберд в Ереване. Работы велись совместно с Институтом археологии Академии наук Армянской ССР и Отделом охраны памятников при Государственном комитете Совета министров Армянской ССР по делам строительства. Общее руководство проектом осуществлялось К.Л. Оганесяном, научным консультантом был академик Б.Б. Пиотровский. Начальником экспедиции до 1959 года была Н.М. Лосева, позднее С.И. Ходжаш.
Таким образом, археологические исследования ведутся Музеем в общей сложности уже более 80 лет. Результатом этих изысканий стали многочисленные публикации и научные конференции; кроме того, найденные памятники древнего и античного искусства — скульптура, керамика, предметы нумизматики, произведения декоративно-прикладного искусства, артефакты культуры и быта древних народов пополнили фонды Музея и вошли в основную экспозицию.
В части научно-просветительской работы сотрудники Музея также ведут большую работу. Особое внимание уделяется теме «музей и юный зритель». Учитывая тот факт, что Музей создавался И.В. Цветаевым именно в расчете на просветительство, особое значение приобретает экскурсионная, лекционная и популяризационная работа. В 2005 году был открыт Центр эстетического воспитания для детей и юношества «Мусейон». Это событие явилось ярким примером того, насколько серьезно с точки зрения методологии осуществляется научная популяризация в Музее.
В Центре функционируют кружки, мастерские и секции, в которых научные сотрудники преподают историю мирового искусства на основе музейных и выставочных экспозиций, в мастерских опытные художники обучают детей различным техникам изобразительного искусства. Кроме того, в Центре разрабатываются образовательные программы для различных возрастных групп, а также для детей с ограниченными возможностями.
В Музее ведется подготовка и издание книг, альбомов и буклетов, ориентированных на детскую аудиторию. Такие издания выходят тематическими сериями и помогают школьникам всех возрастных групп знакомиться с историей, видами и жанрами, материалами и техниками изобразительного искусства.
В 1996 году в ГМИИ им. А.С. Пушкина в статусе отдела был организован Учебный художественный музей имени И.В. Цветаева, который разместился в здании Российского государственного гуманитарного университета (РГГУ) на улице Чаянова (открыт 30 мая 1997 года). Его экспозицию составляют гипсовые слепки, которые не вошли в основную экспозицию Музея или их дублетные экземпляры. Учебный художественный музей имени И.В. Цветаева продолжает научно-просветительскую деятельность, которая изначальная предназначалась Музею на Волхонке. Таким образом, идея И.В. Цветаева об «учебном музее для учащихся и студентов» обрела свое новое воплощение.
В Отделе рукописей Музея хранится документация по его истории, научное и эпистолярное наследие И.В. Цветаева, других музейных деятелей, крупных искусствоведов и художников, архивы некоторых музеев, чьи коллекции в разное время поступили в ГМИИ. Фонды отдела насчитывают свыше 70 тыс. единиц хранения. За последние 12 лет были выпущены фундаментальные комментированные издания переписки И.В. Цветаева: с Георгом Треем (с параллельным русским и немецким текстами) и 4-томник переписки с Ю.С. Нечаевым-Мальцовым, а также сборник, посвященный 150-летию директора Музея Н.И. Романова, основателя картинной галереи ГМИИ.
Музей располагает обширной научной библиотекой, которая открылась летом 1912 года. В основу библиотечного фонда легло книжное собрание Кабинета изящных искусств и классических древностей при историко-филологическом факультете Московского университета. Фонд комплектовался в соответствии с общим развитием науки об искусстве и с учетом университетского курса. Библиотека включала в себя различные издания по изобразительному искусству, в том числе фотографии и диапозитивы, а также журналы, освещающие современные проблемы науки об искусстве того времени; некоторые из них комплектуются научной библиотекой ГМИИ и сегодня. Кроме того, фонды пополнялись личными библиотеками сотрудников Музея. В настоящее время научная библиотека располагает почти двухсоттысячным фондом книг и журналов и продолжает пополняться как отечественными, так и зарубежными изданиями.
В преддверии 100-летнего юбилея Государственного музея изобразительных искусств имени А.С. Пушкина в 2012 году научная деятельность Музея стала еще более активной, были подготовлены к изданию каталоги-резоне, монографии и исследования, снабженные подробным научным аппаратом. Одновременно в связи с расширением экспозиционных площадей сотрудники Музея разрабатывали научные экспозиции для тех коллекций, которые будут размещены в новых музейных пространствах, что позволит по-новому оценить масштаб собрания Государственного музея изобразительных искусств имени А.С. Пушкина.
