Teadus- ja õppetöö on geograafia osakonnas tihedalt seotud. Geograafia erialana hõlmab väga erinevaid ainevaldkondi nii loodusest kui ka inimühiskonnast. Kõigil geograafia allharudel ei ole Tartu Ülikoolis välja kujunenud omaette teadustraditsiooni. Samas on mitme uurimisgrupi tegevused omal kitsamal erialal teadusmaailma eesrinnas. Kui loodusgeograafias lähtuvad need eelkõige maastiku aineringe uuringutest siis inimgeograafias inimeste liikumiste analüüsist. Eelnevatega seostub tihedalt aga ka kartograafia- ja geoinformaatika-alane teadustöö.
Geograafia osakonnas on välja kujunenud mitmed uurimisrühmad:
Dendrokronoloogia laboris viiakse läbi mitmesuguseid uuringuid, mis kõik põhinevad puude aastarõngaste laiuste mustritel. Töörühm teeb aktiivset koostööd teiste geograafia osakonna töörühmadega, näidates kätte ökoloogilisi protsesse ja nende suundumusi, tähtsust ja muutusi.
Meie töörühm uurib peamiselt ökosüsteemide maa-aluseid protsesse, eriti seda, kuidas juured ja nendega seotud risosfäär on mõjutatud kliima ja maakasutuse muutustest. Mõõdame süsiniku- ja toitainete kogusid ja voogusid maa all erinevatel skaaladel, alates molekulaarsest kuni maastiku tasemeni, et hinnata ökosüsteemide reageerimist keskkonnatingimustele.
Keskkonnamikrobioloogia töörühma peamiseks eesmärgiks on uurida tehislikes ja looduslikes ökosüsteemides toimuvaid biogeokeemilisi protsesse. Olulisemad uurimisvaldkonnad on mikroobide poolt vahendatud protsessid lämmastiku-, fosfori- ja süsinikuringes tehislikes ning looduslikes ökosüsteemides.
Maastikugeoinformaatika töörühm tegeleb inimtegevusest ja kliimamuutustest tingitud maastike muutuste analüüsi ja hüdroloogilise modelleerimisega. Töörühm kasutab ja arendab ruumianalüüsi meetodeid, masinõpet ja modelleerimist. Olulisel kohal on geoinformaatiliste töövoogude optimeerimine ning kaasaegsete infotehnoloogiliste lahenduste arendamine ja rakendamine geograafias.
Maastiku aineringete ja ökotehnoloogia töörühma peamised tegevused on seotud süsiniku ning toitainete bilansside uuringutega nii erinevates ökosüsteemides kui ka maastikul (mitmekesise maakasutusega valgalates).
Mobiilsusuuringute labor tegeleb inimeste ruumilise mobiilsuse uuringutega. Töögrupi üheks kiiresti arenevaks uurimissuunaks on mobiiltelefonide positsioneerimisel põhinev metoodika, mis võimaldab ühiskonna ajalis-ruumilist käitumist ja inimeste tegevusruume senisest põhjalikumalt mõõta. Töörühm on tänu mobiilpositsioneerimisel põhineva uurimismetoodika väljaarendamisele ja kogutud andmestikule maailmas tuntud. Uurimismetoodikat rakendatakse mitmesuguste alus- ja rakendusuuringute läbiviimisel, sealhulgas teostatakse planeerimisprojekte ja turismiuuringuid.
Rände- ja linnauuringute keskus koondab endas teadlasi, keda huvitab, kuidas oleks linnades toredam elada. Peamised uurimisvaldkonnad hõlmavad rännet, eluasemetingimusi ning inimestevahelisi suhteid asumites, linnaosades ning kuidas need haakuvad linnaplaneerimise ja –poliitikaga ning mõjutavad selle kaudu linnade arengut.