学院的科研工作围绕“气候演变热带驱动”和“西太平洋地质演变”两大长期学术目标，形成了“古海洋学与古环境”、“深海沉积学”、“深海生物地球化学”、“大洋岩石圈演化”、“油气资源与勘探”和“海底过程与观测”等六个紧密结合的研究方向。学院以国际一流学科为标准，围绕国家海洋和油气资源发展战略的重大需求，以国际大洋发现计划（IODP）、“国家海底科学观测网”大科学工程、国家自然科学基金委“南海深海过程演变”重大研究计划等国际和国内重大海洋科技任务带动，开展国际前沿的海洋科学研究，努力将学院建设成为一个面向深海、以海陆结合、科学与技术结合为特色的世界一流海洋科技研究中心和人才培养基地。

学院依托海洋地质国家重点实验室、上海海洋科技中心、同济大学海洋科技研究中心、同济大学海洋资源研究中心、同济大学宝石中心等重要科研平台。近年来承担了多项重大科技项目，如：我国海洋领域唯一的大型基础研究计划——国家自然科学基金委“南海深海过程演变”重大研究计划；我国海洋科技领域唯一在建的大科学工程“国家海底科学观测网”；深度参与国际大洋发现计划（IODP），近年来在南海连续实现了IODP 349、367和368三个中国科学家领导的国际大洋钻探航次。其他如国家自然科学基金重点、杰青、国家重点研发计划、国家科技重大专项等重要科研项目二十余项。