קידום המחקר הרפואי הוא חלק מהותי מחזון המרכז הרפואי שערי צדק. המחקר נמצא בהוויה היומיומית של כל מחלקות בית החולים תוך מאמץ מתמשך לחקר מחלות, מציאת טיפולים וטכנולוגיות חדשות, פיתוח אלגוריתמי טיפול חדשניים, מניעת מחלות ושיפור הרפואה בארץ ובעולם. הרופאים והרופאות בשערי צדק מעורבים בעשייה המחקרית, חלקם בשיתוף פעולה חוצה מדינות ויבשות. נושאי המחקר מגוונים וכוללים מדע בסיסי, מחקר קליני, מחקר אדמיניסטרטיבי על בסיסי מידע וביג-דאטה, כלכלת בריאות, הערכת יעילות טיפולים תרופתיים במחקרים מבוקרים והערכת טכנולוגיה.
הרשות למחקר ופיתוח (מו"פ) מובילה את המחקר האקדמי בבית החולים ומסייעת לחוקרים במתן מגוון שירותים ותוכניות מחקר. בין השאר הרשות למו"פ מובילה את תוכניות תל"ם ובראש למתמחים מצטיינים במחקר במסגרתן המתמחים מקבלים ליווי, מנטורינג ומימון למחקר, תוכניות רופא-חוקר, ומרכזת את קרן מדעית למחקר המיועדת למימון מחקרים פנימיים. בנוסף הרשות למו"פ מובילה שיתופי פעולה עם האוניברסיטה העברית, בשיתוף עם הפקולטה לרפואה (קרן קמל"א והקרן המשותפת) והמכון למדעי החיים (קרן ש.מ.ש), וכן תוכניות מחקר משותפות עם אוניברסיטת תל אביב, בצלאל האקדמיה לאומנות, ועוד מוסדות אקדמיים רבים אחרים בארץ ובעולם. הרשות למו"פ תומכת ומסייעת לחוקרים בהגשת מענקי מחקר בין אם במידענות או סיוע טכני, ומספקת שירותי סטטיסטיקה, שירותי תיאום מחקר, עריכה לשונית ועוד. מכון המחקר של הרשות למו"פ מאפשר לחוקרים מהמרכז הרפואי לבצע מחקר מעבדתי בשטח בית החולים. חוקרי שערי צדק מפרסמים למעלה מ 600 פרסומים מדעיים מדי שנה, וזוכים במענקי מחקר בינלאומיים יוקרתיים בהיקף של מיליוני שקלים כגון מענק הורייזון של האיחוד האירופי ומענקים של הקרן הלאומית למדע.
מדעית שערי צדק היא חברת הבת של המרכז הרפואי שמקדמת בשם שערי צדק שיתופי פעולה עם התעשייה בתחומים של מחקר וחדשנות. מדעית מובילה מאות שיתופי פעולה מדי שנה וכוללת שלוש יחידות מרכזיות: יחידה לניסויים קליניים שאחראית על הסכמי מחקר ושיתופי פעולה עם חברות תרופות וכוללת יח' רטובה לניסויים קליניים, יחידת מסחור שאחראית על קידום טכנולוגיות שמפותחות ע"י צוות בית החולים ומובילה את מסחור הקניין הרוחני והבאת הטכנולוגיות החדשניות אל המטופלים, ומרכז חדשנות שמתמקד בבריאות דיגיטלית ובינה מלאכותית ומוביל פרוייקטי ביגדאטה, מחקרי תיקוף והטמעת טכנולוגיות, והנגשה של מאגרי מידע קליניים לחוקרים חיצוניים באמצעות מערכת חדרי מחקר וירטואליים. במרכז מועסקים מדעני נתונים ואנליסטים שעוסקים במחקרי נתונים מגוונים.