ฝ่ายวิจัยวิทยาศาสตร์ทางทะเล มีหน้าที่รับผิดชอบในการศึกษา ค้นคว้า วิจัยทางด้านวิทยาศาสตร์ทางทะเลและสาขาที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้ยังมีบทบาทสำคัญในเรื่องของงานบริการวิชาการแก่ชุมชนและสังคม ตลอดจนการให้บริการเกี่ยวกับงานวิจัยแก่นิสิต นักศึกษา อาจารย์และข้าราชการในสถาบันอื่นๆ อีกด้วย ฝ่ายวิจัยวิทยาศาสตร์ทางทะเล ได้แบ่งการบริหารงานออกเป็น 4 งาน ดังนี้

1 งานวิจัยการเพาะเลี้ยงสัตว์และพืชทะเล

รับผิดชอบในการศึกษา ค้นคว้า และวิจัย เพื่อพัฒนาเทคนิคการเพาะเลี้ยงสิ่งมีชีวิตน้ำเค็ม เพื่อการอนุรักษ์ และการเพาะเลี้ยงเชิงพาณิชย์ การศึกษาและวิจัย เพื่อพัฒนา อาหารมีชีวิตและอาหารสำเร็จรูปสำหรับใช้ในการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ รวมทั้งการศึกษาและวิจัยด้านโรคและพยาธิของสัตว์น้ำเค็ม นอกจากนี้ยังมีภาระหน้าที่ในการถ่ายทอดเทคโนโลยีที่ได้จากงานวิจัยให้เกิดประโยชน์ต่อสังคม โดยเป้าหมายหลักของการพัฒนางานวิจัยคือการพัฒนาเทคโนโลยีการเพาะเลี้ยงสิ่งมีชีวิตสวยงามน้ำเค็มซึ่งส่วนใหญ่เป็นสิ่งมีชีวิต ที่อาศัยอยู่ในแนวปะการัง

2 งานวิจัยสิ่งแวดล้อมทางทะเล

รับผิดชอบในการศึกษา ค้นคว้า และวิจัยเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงคุณภาพสิ่งแวดล้อมทางทะเล โดยเฉพาะในบริเวณชายฝั่งภาคตะวันออก โดยมีขอบเขตความรับผิดชอบในการติดตามตรวจสอบคุณภาพสิ่งแวดล้อมทั้งทางกายภาพ เคมี และชีวภาพ ในน้ำทะเล ดินตะกอน และสิ่งมีชีวิต ตลอดจนศึกษาปัญหามลพิษทางทะเล การศึกษาผลกระทบของสารมลพิษต่อสิ่งมีชีวิตในทะเลและการประเมินผลกระทบ รวมทั้งการแจ้งเตือนความเสื่อมโทรมของคุณภาพสิ่งแวดล้อม การฟื้นฟูคุณภาพสิ่งแวดล้อมทางทะเลเพื่อการดำรงชีวิตที่ดีของสิ่งมีชีวิตในทะเล และการให้บริการตรวจสอบคุณภาพสิ่งแวดล้อมทางทะเล

3 งานวิจัยความหลากหลายทางชีวภาพทางทะเล

รับผิดชอบในการศึกษา ค้นคว้า และวิจัยเกี่ยวกับนิเวศวิทยาของสิ่งมีชีวิตในทะเล การจัดจำแนกชนิดและศึกษาชีววิทยาของสิ่งมีชีวิตทั้งแบคทีเรียพืชและสัตว์ในทะเล การศึกษาความสัมพันธ์ด้านนิเวศวิทยาทางเศรษฐกิจ และการเฝ้าระวังและติดตามสถานการณ์ของสิ่งมีชีวิตในทะเล โดยมีเป้าหมายหลัก เพื่อเป็นศูนย์ของความหลากหลายทางชีวภาพทางทะเล (Marine Biodiversity Center) ของภาคตะวันออก

4 งานวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพทางทะเล

รับผิดชอบในการศึกษา ค้นคว้า และวิจัยเพื่อตรวจหาและพัฒนาผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจากสิ่งมีชีวิตในทะเล ได้แก่ จุลินทรีย์ พืช และสัตว์ ซึ่งจะนำไปใช้ประโยชน์ในด้านอาหาร ยารักษาโรคและสิ่งแวดล้อม