В тематике современной научно-исследовательской деятельности музея можно выделить несколько основных направлений:
1. История и археология Троице-Сергиевой лавры, Сергиева Посада и окрестностей;
2. Музейные коллекции;
3. Проблемы музееведения.

Сотрудники музея занимаются выявлением новых данных по археологии края, изучают и публикуют древние монастырские источники, исследуют градостроительную историю Сергиева Посада, его художественную жизнь, социально-экономическое развитие города и края в XIX-ХХ вв. Выводы авторов во многом основаны на кропотливом изучении архивов Москвы и Московской области.

Большого внимания заслуживает разносторонняя деятельность научного коллектива музея по изучению и пропаганде уникальных как бывших лаврских коллекций, так и новых, сложившихся за время существования музея. На основе тщательного изучения архивных и экспедиционных материалов прослеживаются судьбы отдельных памятников и коллекций, пути их формирования и изучения, выявляются художественная специфика и своеобразие рассматриваемых памятников, расширяются представления о художественных традициях регионов, вводятся в научный оборот ранее неизвестные произведения отечественной культуры.

Результаты научной работы научных сотрудников музея находят отражение в постоянных экспозициях и временных выставках, дающих целостное представление о русском искусстве с XIV века вплоть до современности, а также знакомящих с ролью и значением Троице-Сергиевой лавры в отечественной истории и культуре. В результате многолетней исследовательской деятельности сотрудниками музея выполнены сотни различных научных работ, частично опубликованных в виде монографий, каталогов, альбомов, статей.