​Les recherches fondamentales de l'institut concernent, d'une part, le fonctionnement cellulaire, étudié à toutes les échelles temporelles et spatiales, via des approches interdisciplinaires et intégratives et, d'autre part, les neurosciences fondamentales avec le décryptage du code neural.

​A l’institut, le fonctionnement cellulaire, physiologique et pathologique, est étudié depuis les niveaux atomiques jusqu'à la cellule, à différentes échelles de temps. Par des approches interdisciplinaires et intégratives alliant biologie structurale, biophysique, biologie moléculaire et cellulaire, omiques et bioinformatique, les chercheurs étudient comment les différents niveaux d'organisation des composants cellulaires, leur dynamique et leurs interactions génèrent et régulent leurs fonctions. Ainsi, l'étude de la structure et de la dynamique de différents molécules et complexes permet le décryptage de processus cellulaires tels la maintenance et le traitement de l’information génétique ou encore la bioénergétique.  A l'échelle supérieure, l'étude du mode d'intégration de ces différents processus permet de comprendre la régulation de l’homéostasie cellulaire.

A l’échelle de l’organe et de l’organisme, les études menées se concentrent principalement sur le cerveau. En effet, autour de l’imagerie biomédicale et d’autres méthodes d’exploration du vivant, l’institut a développé une expertise dans le domaine des neurosciences fondamentales. Ses équipes contribuent à répondre à l’un des grands défis du 21^e siècle : cartographier le fonctionnement normal ou pathologique du cerveau humain et comprendre sa singularité vis-à-vis des autres espèces animales. L’impact sociétal de cette recherche en neurosciences est plus large que la seule connaissance du fonctionnement du cerveau, puisqu’elle permet d’envisager le développement de nouveaux champs d’application dans des domaines aussi divers que l’éducation ou l’intelligence artificielle, en permettant le développement de nouvelles techniques d’analyse fondées sur des approches neuromorphiques.