空间物理学、地球物理学、大地测量学、大气和海洋科学等共同构成认识人类生存和发展环境的不同层次的科学体系。实验室以探测和研究地球各圈层及外层空间各种相关物理场及其时空分布为目标，努力推进对地球及其空间环境的科学认识，为国家资源和环境政策、灾害对策、空间和国防技术的发展等提供科学依据。为此，本实验室立足于空间物理和固体地球物理的基础研究，瞄准地球空间环境和大地测量学科领域的国际前沿及我国重大的基础研究和应用基础研究方向，通过学科间的交叉融合，实现优势互补，使本实验室成为相关学科领域的科学研究和人才培养基地。在此科学目标指导下，本实验室确定了以下8个研究方向：
（1）电离层与磁层
本研究方向以电离层地面探测和卫星实地测量为主要手段，结合理论分析和计算机数值模拟方法，研究电离层动力学过程、电离层与磁层和热层大气耦合、极区与中低纬电离层相互作用以及太阳活动对磁层-电离层的影响等。其科学目标是全球日－地空间天气模式化与预报，为磁层-电离层－热层系统空间天气灾害效应监测预报、无线电导航通信和航天活动等实用领域服务。该研究方向又分为四个既相互联系又侧重不同的子方向：（a）南中国电离层结构、地域特性与动力学过程研究；（b）极区电离层特性及其与磁层和热层耦合研究；（c）磁暴过程及其磁层/电离层系统效应研究；（d）电波传播及其在地球环境遥测中的应用。
（2）中高层大气环境及其电磁波诊断方法
本研究方向旨在研究中、高层大气的结构以及扰动变化在不同高度和不同参量上反映出的行为，揭示中国上空中、高层大气的结构特征以及扰动的规律，建立中国上空中、高层大气的背景模式。此外，结合理论模式，阐明中、高层大气暂态结构的成因，为国防工程和航天活动服务。该方向又分为三个子方向：（a）中高层大气结构和扰动过程的研究；（b）中层顶区域光化与动力学过程；（c）中、高层大气环境预报模式和方式。
（3）日地系统扰动传播及空间天气预测
日地系统是一个包含太阳大气、日地行星际空间、磁层、电离层和中高层大气等层次的复杂非线性系统。太阳活动引起的强烈扰动（太阳风暴）严重影响近地空间环境。空间天气主要是指对地面和星载电子系统和人类生存条件造成严重甚至灾害性影响的空间环境变化过程。本研究方向视日地系统为一个整体，着重研究太阳扰动如何传播到近地空间和如何预报灾害性扰动。该研究方向包括三个子方向：（a）日冕和行星际扰动过程的磁流体力学模拟；（b）近地空间磁流体力学波动的激发和传播；（c）空间天气预测方法。
（4）地球重力场理论、方法与应用
地球重力场表征了地球空间基本力学环境，是发展空间技术、建立地球参考坐标系、资源勘探和发展远程武器所需要的基础信息。精密确定地球重力场是本实验室具有特色的研究方向，包括三个子方向：（a）地球重力场基础理论研究；（b）全球与局部重力场逼近的理论和方法；（c）卫星重力探测技术及应用研究。
（5）大地测量地球物理反演与内部地球物理
该方向属于大地测量与地球物理学科交叉研究领域。选择适当的地球物理模型，利用大地测量监测数据反演和解释相关地球内部物理问题的理论和方法，是研究地球变化和地质灾害的现代手段之一。该研究方向包括三个子方向：（a）大地测量地球物理反演；（b）极地大地测量与全球变化；（c）地球固体潮和地球自转变化。
（6）空间大地测量理论、技术及应用
空间大地测量是利用卫星或河外类星体射电源电磁波信号精密测量地面及外空间任意点三维坐标及其随时间的变化，是现代大地测量的核心技术，也是大地测量扩大其应用领域的主要手段。着重研究卫星运动轨道理论，地球坐标系的定义和实现，地壳运动监测技术及应用。该研究方向包括三个子方向：（a）卫星精密定轨的理论、方法及技术；（b）大地测量参考框架的建立与维持；（c）地壳运动的监测及应用。
（7）近地空间与海洋电磁波遥测理论与技术
地球及其外部空间是人类赖以生存和发展的环境。本研究方向旨在研究利用电磁波探测遥感地球及其外部空间环境的基础理论、方法和反演技术，研究地球及其外部空间环境电磁波探测遥感设备新技术，为人类了解和掌握地球空间环境及其对人类活动的影响提供基础理论、遥感技术和高频无线电探测设备。该研究方向包括四个子方向：（a）复杂系统电磁波传播理论及其在卫星大地测量中的应用；（b）高频无线电海洋学；（c）地球空间环境高频监测雷达；（d）卫星测高技术在海洋动力环境研究中的应用。
（8）地震波的传播理论及其应用
地震波的运动学和动力学特征为揭示地球内部结构，地球各圈层的物质转移和能量交换提供了直接的地球物理证据。地震波的传播理论，观测方法和反演技术是地球动力学研究的基础研究。该研究包括四个子方向：（a）各向异性介质面波频散特征研究；（b）面波层析成像技术；（c）多波勘探技术；（d）AVO技术及其应用。