Zu den zentralen Aufgaben der Berliner Gemäldegalerie gehören die wissenschaftliche, objektbasierte Erforschung ihrer umfangreichen Sammlungsbestände sowie der übergeordnete internationale Wissenschaftsaustausch. In zahlreichen, meist interdisziplinär angelegten Forschungsprojekten werden neue Erkenntnisse zu Aspekten wie dem Entstehungskontext, der Bildgenese und der ursprünglichen Funktion von Gemälden, zu ihrer Zuschreibung oder Provenienz gewonnen. 

In der Gemäldegalerie ergänzen sich umfassende kunsthistorische Expertise und fundiertes maltechnisches Fachwissen. Die Erforschung der Werke erfolgt in enger Zusammenarbeit von Kunsthistoriker*innen und Restaurator*innen sowie auf Grundlage technischer Aufnahmen und kunsttechnologischer Untersuchungen, die vor Ort in den modern ausgestatteten Werkstätten der Gemäldegalerie durchgeführt werden können. 

In Kooperation mit anderen Berliner Sammlungen sowie nationalen und internationalen Museen und Forschungseinrichtungen werden kunsthistorische und kunsttechnologische Forschungsprojekte durchgeführt, die vielfach weit über die Untersuchung der eigenen Sammlungsbestände hinausgehen und diese in einen größeren Kontext stellen. 

Die Ergebnisse der umfangreichen Forschungstätigkeit werden sowohl dem Fachpublikum als auch der breiten Öffentlichkeit durch Ausstellungen, Kataloge, wissenschaftliche Print- und Online-Publikationen, Vorträge und Konferenzen zugänglich gemacht. Parallel dazu führt die Gemäldegalerie Digitalisierungsprojekte durch, um Forschungsmaterial verfügbar zu machen und so zu einer nachhaltigen, transparenten und zukunftsfähigen Forschungspraxis beizutragen.