A gama dos fenômenos que ocorrem na Atmosfera, na Terra e no Espaço estudados por docentes, pós-doutores, estudantes de pós-graduação e de graduação dos Departamentos de Ciências Atmosféricas, Geofísica e Astronomia coloca a pesquisa realizada no IAG como a mais abrangente no país.

Em Ciências Atmosféricas, as principais linhas de pesquisa estão voltadas a estudos do clima e dos sistemas meteorológicos, incluindo monitoramento e previsão meteorológica, além dos processos físico-químicos relacionados com a poluição atmosférica. Em Geofísica, os projetos incluem a prospecção de petróleo, água e minerais, o monitoramento da contaminação do subsolo e da água subterrânea, e investigações sobre a estrutura, composição e dinâmica do interior da Terra. Em Astronomia, realizam-se tanto projetos observacionais como o desenvolvimento de modelos teóricos e numéricos que abrangem uma extensa gama de estudos do Sistema Solar ao Universo em grande escala, incluindo as estrelas e o meio interestelar, a Via Láctea, as outras galáxias e aglomerados de galáxias.