实验室的主要研究方向为：精时地层、生命起源和早期演化、重大生物事件和生态系统演化，以及油气资源的综合地层。前三个方向既面向世界科技前沿，又可为第四方向提供有力支撑，突出地层资源应用的导向。

精时地层：以关键门类化石的系统古生物学研究为基础，系统开展以生物地层、年代地层和旋回地层为核心的综合地层学研究，推动建立全球地层对比的标准与规范，争取更多国际地层“金钉子”，进一步巩固和提升我国在该领域的国际引领地位。

生命起源和早期演化：基于全球早期生命特异埋藏化石库，持续发掘新的化石材料，研发多模态跨尺度结构与成分耦合可视化成像技术，系统探寻早期生命信号，重建生命起源与早期演化历程，为理解地球宜居性的形成与早期演变提供关键科学依据。

重大生物事件和生态系统演化：基于全球化石和地层资源，发挥“多门类、全时段”优势，依托自主研发的GBDB数据库平台，运用生物多样性大数据计算与宏演化模式分析等技术方法，系统重建深时生物多样。

油气资源的综合地层：整合录井、测井、地震数据，运用精时地层技术与古地理平台，开展含油气盆地时-空4D地层模型与古地理演化研究，重建构造-沉积-生物-环境-成烃-成藏协同演化过程，揭示油气资源的时空分布规律。