Наукова діяльність кафедри розвивається за наступними напрямками:

1. Морська геологія і геохімія океанів і морів.
2. Морська мікропалеонтологія і палеогеографічні реконструкції.
3. Мінеральні ресурси та екологічна геологія океанів, морів і узбережжя.
4. Геотоксикологія.
5. Палеонтологія і стратиграфія.
6. Мінералогія і петрографія
7. Геоархеологія.

1. Морська геологія і геохімія океанів і морів

Дослідження по даному напрямку активізувалися у зв'язку з відкриттям у 1978 році галузевої лабораторії морської геології і геохімії. Дослідження проводились в Індійському і Атлантичному океанах, у Чорному, Середземному, Каспійському і північних морях (начальники рейсів - Г.Г. Ткаченко, О. П. Чередниченко, Б.С. Слюсар). Авторами і провідними керівниками досліджень у різні часи були Г.Г. Ткаченко, І.П. Зелінський, В.В. Янко, Л.В. Іщенко, Є.П. Ларченков, В.П. Резник, О.П. Кравчук, С.А. Копилов, О.Є. Фесюнов, С.А. Верещака, В.В. Нікулін, О.П. Чередниченко, І.О. Сучков та ін.

В результаті цих робіт були отримані результати:

• проведена вуглеводнева газова зйомка північно-західного шельфу Чорного моря та усього Азовського моря;
• складено першу регіональну карту інженерно-геологічного районування дна Азовського моря за умовами будівництва підводних нафтогазопроводів;
• проведено вивчення залізо-марганцевого та сульфідного гідротермального рудоутворення в Індійському океані, складені карти корисних копалин Атлантичного і Індійського океанів;
• виявлене тонке золото на шельфі Чорного моря в промислових концентраціях.

2. Морська мікропалеонтологія і палеогеографічні реконструкції.

Дослідження розпочаті в 70-х роках ХХ сторіччя роботами В.В.Янко, яка створила мікропалеонтологічну лабораторію на базі Палеонтологічного музею ОНУ і сформувала унікальні колекції бентосних форамініфер. Мікропалеонтологічні дослідження проводяться в рамках великих міжнародних проектів, у тому числі фінансованих Європейською Комісією, таких як AVICENNE «New kind of biological monitoring of heavy metals for the Eastern Mediterranean on benthic foraminifera» (1992-1996 р.р.), COPERNICUS «Pollution by oil and herbicides in the Black Sea: Novel detection technologies and biological impact» (1997-2000 р.р.), HERMES «Hotspot Ecosystems Research on the Margins of European Seas», WAPCOAST «Water Pollution Prevention Options for Coastal Zones and Tourist Areas: Application to the Danube Delta Front Area »(2011-2013г.г.). У проектах беруть участь студенти, аспіранти, співробітники ОНУ та Національної Академії Наук України. За матеріалами проектів захищені близько десяти кандидатських і одна докторська дисертації. Видані численні статті та монографії у провідних національних і зарубіжних виданнях.

У результаті робіт:

• розроблені основи простежування забруднення донних відкладень морів і океанів різними забруднювачами, в тому числі, важкими металами, нафтою, пестицидами та ін.;
• розроблена детальна стратиграфія пізньочетвертинних басейнів Понто-Каспію по бентосних форамініферах;
• проведені палеогеографічні реконструкції басейнів Понто-Каспію по мікрофауні.

3. Мінеральні ресурси та екологічна геологія океанів, морів і узбережжя.

З початку 90-х років у наукових дослідженнях кафедри і лабораторії переважаючою стають морська еколого-геологічна тематика. Проводяться роботи з еколого-геологічного забезпечення нафтогазопошукових робіт на шельфі Чорного моря, яке є обов'язковим при підготовці структур до буріння; по вивченню впливу взаємодії донних відкладів і водної товщі на екологічний стан морського середовища; аналіз ролі вуглеводневих газів як показників забруднення середовища. Тривають дослідження геоекосістем Чорного моря, шляхи міграції та трансформації полютантів у водній товщі та у донних відкладах. В результаті цих робіт складено першу еколого-геологічну карту північно-західного шельфу Чорного моря.

У рамках цього напрямку також проводяться дослідження по чорноморському метану: від джерела енергії до фактора підвищеного ризику для морських екосистем і споруд. Ця багатогранна тема має потужне фундаментальне і прикладне значення, в тому числі експертні оцінки з екологічного моніторингу для газо-нафтових компаній та ін. За цим напрямком кафедра тісно співпрацює з Відділенням морської геології та осадового рудоутворення НАНУ (академік Є.Ф. Шнюков).

4. Геотоксикологія.

В основу геотоксикологічних досліджень покладено вивчення взаємодії геологічного середовища і екологічних систем на міждисциплінарному рівні, що забезпечує комплексну оцінку умов і впливів гетерогенної природи. У комплексі геотоксикологічних досліджень виділяється пріоритетність геологічного підходу до оцінки якості навколишнього середовища, аналізу просторово-часових закономірностей міграції речовини та трансформації фізичних полів в сучасних умовах.

5. Палеонтологія і стратиграфія

Дослідження проводяться на базі Палеонтологічного музею ОНУ і підземного заповідника, які є об'єктами особливої ​​цінності не тільки в українському, але й у світовому масштабі. Музей є єдиним володарем регіонального складу викопних решток, зібраних на півдні Східноєвропейської платформи (Україна та Молдова) та унікальних колекцій викопної фауни та флори, більша частина яких практично відсутня в інших палеонтологічних музеях світу. За результатами робіт проведена ревізія і вивчення класичних і нововиявлених печерних місцезнаходжень хребетних тварин північного Причорномор'я і комплексне вивчення місцезнаходжень пізньонеогенових і четвертинних хребетних тварин в північному Причорномор'ї.

6. Мінералогія і петрографія

Проводяться дослідження гірських порід, мінеральних утворень і корисних копалин з наступних питань:
• акцесорні мінерали порід Українського кристалічного щита
• мінеральний склад донних відкладів і рудних утворень Чорного моря та інших районів Світового океану
• процеси патогенного біомінералоутворення в організмі людини
• склад теригенно-мінералогічних провінцій Чорноморського шельфу
• закономірності шельфового розсипоутворення

7. Геоархеологія.

Напрямок присвячено вивченню впливу зміни клімату та рівня моря на адаптаційну стратегію людини в Каспійсько-Чорноморсько-Середземноморському коридорі в четвертинний час. Напрямок сформувався протягом останнього десятиліття в рамках Міжнародної Програми Геологічної Кореляції під егідою ЮНЕСКО та Міжнародного Геологічного Союзу. За цим напрямком кафедра кооперується з історичним факультетом (кафедра археології та етнології) ОНУ, а також з численними вченими з 32 країн, 86 інститутів і університетів та тісно співпрацює з Європейською програмою по морській геоархеологіі «SPLASHCOS - Submerged Prehistoric Archaeology and Landscapes of the Continental Shelf» (http://www.splashcos.org/), де зав. кафедрою проф. Янко В.В. є офіційним представником від України і членом Координаційної Ради програми.