З 1971 р. Національна бібліотека України імені В. І. Вернадського має статус науково-дослідної установи і досліджує проблеми бібліотекознавства, бібліографознавства, книгознавства, джерелознавства, документознавства, архівознавства, біографістики, кодикології та кодикографії, історії книжкової культури, інформатики, соціальних комунікацій, збереження, консервації і реставрації документів; методології, методики й організації створення національної бібліографії України, повних бібліографій документів національних меншин України; формування і збереження національного бібліотечного фонду України; удосконалення бібліотечно-бібліографічної класифікації, каталогізації; розвитку комп'ютерних технологій інформаційно-бібліотечної діяльності.

Основними науковими напрямами діяльності Бібліотеки є:

• «Формування і використання науково-інформаційних ресурсів. Інформатизація бібліотек»;
• «Створення  національної бібліографії. Українська біографістика»;
• «Нові технології збереження, консервації та реставрації бібліотечних фондів»;
• «Вивчення, збереження та видання української історико-культурної спадщини».

НБУВ, за своїми теоретичними, методичними та практичними  напрацюваннями, є головною організацією з реалізації проекту створення національної бібліографії України і послідовно здійснює багатотомне видання системи покажчиків національного бібліографічного репертуару, якого Україна практично не мала за всю свою історію, формує бібліографічні бази даних.

Провідне місце Бібліотека посідає у дослідженні писемної та книжкової спадщини України, створенні археографічних реєстрів рукописних фондів, бібліотечних зібрань та історичних колекцій. Їх практична реалізація стає підґрунтям для створення Державного реєстру книжкових пам’яток як складової реєстру національного культурного надбання та програми ЮНЕСКО «Пам’ять світу».

На основі історико-документознавчих досліджень архівної спадщини української науки Бібліотекою створюється широка науково-інформаційна база з  історії  діяльності  Національної академії наук – формуються бази даних архівного фонду, публікуються збірники документів і матеріалів, каталоги, довідники, колективні монографії.

Бібліотека виконує роль національного центру біографічних досліджень:  здійснює розробку теоретичних і науково-методичних проблем української біографістики, формування баз даних біографічної інформації, координацію досліджень в загальнодержавному масштабі, збирання та видання матеріалів біографій діячів України, альманахів, довідників, створює ресурси електронного Українського біографічного словника. електронного науково-інформаційного ресурсу «Український національний біографічний архів».

НБУВ має суттєві здобутки і в дослідженні проблем збереження бібліотечних фондів. Здійснюється розробка сучасних технологій консервації та реставрації книг і рукописів,  моніторинг екологічного стану книгосховищ, оцифрування та створення страхового фонду унікальних видань, дослідження фізико-хімічних показників паперу та матеріалів, що застосовуються для реставраційних і палітурних робіт,  розробка й впровадження наукових рекомендацій з питань забезпечення довготривалого збереження документальної спадщини України.

Наукові здобутки співробітників Бібліотеки оприлюднюються на міжнародних і всеукраїнських наукових конференціях, на нарадах, семінарах, читаннях, публікуються у наукових журналах і збірниках. У НБУВ видаються такі фахові періодичні видання:

Журнали:

1. Науково-теоретичний та практичний журнал «Бібліотечний вісник» (з 1993 р.).
2. Український реферативний журнал «Джерело» (з 1999 р.).
3. Журнал «Україна: події, факти, коментарі»  (з 1998 р.).

Збірники наукових праць:

1. «Наукові праці Національної бібліотеки України імені В. І. Вернадського» (з 1998 р.).
2. «Рукописна та книжкова спадщина України: Археографічні дослідження унікальних архівних та бібліотечних фондів» (з 1993 р.).
3. «Українська біографістика» (з 1996 р.).
4. «Библиотеки национальных академий наук: проблемы функционирования, тенденции развития» (з 2000 р.).
5. «Українсько-македонський науковий збірник» (з 2005 р.).
6. «Слов’янські обрії. Міждисциплінарний збірник наукових праць» (з 2006 р).

Пiднесенню рівня наукової роботи, розвитку професiйного потенцiалу Бiблiотеки сприяє діяльність двох спецiалiзованих вчених рад із захисту кандидатських i докторських дисертацiй (організовані у 1993 р. та 2010 р.) i аспiрантури (з 1993 р.). Бібліотека є базою для проходження практики  студентами вищих навчальних закладів Києва.