Nuklearmedicinsk afdeling har en lang tradition for at lave klinisk forskning. I de senere år er der stigende interesse for forskning i nuklearmedicinsk diagnostik, især onkologi og infektion. De interne projekter har en hovedansvarlig på Nuklearmedicinsk Afdeling, mens der for eksterne projekter er tilknyttet en forsker fra Nuklearmedicinsk Afdeling. I øvrigt er afdelingen aktiv i flere lægemiddelafprøvninger, primært inden for onkologi. Samtidig med at der bliver lavet forskningsprojekter i kliniske problemstillinger, så er der også fokus på udvikling af nye radioaktive sporstoffer til PET.

Forskningen spænder vidt fra projekter, hvor der kigges tilbage på allerede udførte undersøgelser (retrospektive undersøgelser), studier af forskningsmetode inden for diagnostik og billeddiagnostik og store kliniske projekter med involvering af en række hospitaler i Danmark. Nuklearmedicinsk Afdeling har en bred national og international kontaktflade, både i organisatorisk arbejde og i kliniske og eksperimentelle forsøg.  

Forskningen er i de sidste år blevet formaliseret med etablering af en forskningsenhed, en forskningsledelse bestående af professor, forskningsbioanalytiker og -sekretær, og en række aktive forskere. Formalia sikrer, at afdelingens forskningsprojekter kommer rigtigt fra start, og hvor der er hjælp med planlægning, godkendelser og senere udgivelse af publikationer. De aktive forskere sikrer en kritisk masse, der gør det muligt at planlægge og udføre muligt de ca. 50 projekter i alt, som aktuelt pågår i afdelingen. De aktive forskere omfatter foruden afdelingens kliniske professor også lektorer, en række ph.d.-studerende, studerende og læger, der laver forskning sideløbende med kliniske arbejde.