Η Ακαδημία Αθηνών υπήρξε ο πρώτος ερευνητικός φορέας της χώρας. Στον Ιδρυτικό της Νόμο, το 1926, η επιστημονική έρευνα περιλαμβάνεται στους σκοπούς της, για την επίτευξη των οποίων προβλέπεται η ίδρυση Εργαστηρίων επιστημονικής ερεύνης και η ενθάρρυνση και ενίσχυση ερευνών.
Στο πλαίσιο αυτό η Ακαδημία Αθηνών, αμέσως μετά την ίδρυσή της, ενέταξε στους κόλπους της, δύο επιστημονικά αρχεία-κέντρα που λειτουργούσαν ήδη: το Ιστορικόν Λεξικόν (ίδρυση 1914) σήμερα Κέντρον Ερεύνης των Νεοελληνικών Διαλέκτων και Ιδιωμάτων, και το Λαογραφικόν Αρχείον (ίδρυση 1918) σήμερα Κέντρον Ερεύνης της Ελληνικής Λαογραφίας.
Στη συνέχεια, ήδη κατά την πρώτη δεκαετία της λειτουργίας της, η Ακαδημία ίδρυσε δύο ακόμη ερευνητικά αρχεία-κέντρα: το 1929 το σημερινό Κέντρον Ερεύνης της Ιστορίας του Ελληνικού Δικαίου, το 1930 το σημερινό Κέντρον Ερεύνης του Μεσαιωνικού και Νέου Ελληνισμού. Εξάλλου, το 1935 συνέστησε το Ταμείον Επιστημονικών Ερευνών για την οικονομική ενίσχυση ερευνών που πρότειναν οι τρεις Τάξεις της Ακαδημίας, υπηρεσία ανάλογη με την Επιτροπή Ερευνών της Ακαδημίας, η οποία λειτουργεί από το 1981 και διαχειρίζεται ερευνητικά προγράμματα.
Από την δεκαετία του 1950 και μέχρι σήμερα λειτουργούν στην Ακαδημία εννέα ακόμη ερευνητικά κέντρα, και δέκα γραφεία ερευνών, τα οποία καλύπτουν την έρευνα στις θεωρητικές επιστήμες (Νεώτερη Ελληνική Ιστορία, Ελληνική και Λατινική Γραμματεία, Αρχαιολογία, Ελληνική Φιλοσοφία, Επιστημονική Ορολογία και Νεολογισμοί, Ελληνική Κοινωνία, Βυζαντινή και Μεταβυζαντινή Τέχνη, Νεοελληνική Τέχνη, Αρχιτεκτονική, Διεθνείς και Συνταγματικοί Θεσμοί, Οικονομικές Μελέτες), και στις θετικές επιστήμες (Αστρονομία, Κλιματολογία, Μαθηματικά, Φυσική, Μηχανική, Πληροφορική, στρατιωτικά και αμυντικά θέματα).
Παράλληλα η Ακαδημία Αθηνών συμμετέχει ενεργά σε διεθνή ερευνητικά προγράμματα.
Τελευταία μεγάλη προσφορά της Ακαδημίας Αθηνών στην έρευνα είναι το διεθνούς επιπέδου Ίδρυμα Ιατροβιολογικών Ερευνών, το οποίο λειτουργεί υπό την εποπτεία της από το 2002.