В катедрата се провеждат изследвания по следните направления на научна дейност:
Физиология на възбудимите клетки – изследва се значението на невротрансмитери, хормони и локални медиатори, както и на ключови регулаторни ензими, йонни канали и транспортери за функцията на възбудимите клетки. Това включва изследване на: 1) сигналните механизми и ефектите на новооткрити пептидни невромедиатори и хормони върху камерните съкращения на сърце от жаба; 2) регулация на артериалния съдов тонус от хормони и паракринни фактори с произход от ендотела и периваскуларната мастна тъкан при бозайници; 3) токсикологични тестове на наночастици, нанороботи и цианотоксини върху възбудими клетки – вегетативни неврони, гладки мускули, кардиомиоцити и др., 4) регулация на йонни канали във възбудими тъкани; 5) влияние на антиоксиданти като куркумин, на хранителни добавки и хранителни протоколи върху различни тъкани; 6) регулация на артериалните гладки мускули от газови медиатори NO и H2S, 7) визуализация на процеси в гризачи ин виво чрез система за инфрачервена спектроскопия и др.
Молекулярна ендокринология – изследване на хормоналната регулация с участие на катехоламини, кортикостероиди, полови хормони и др.; in vivo и in vitro изследване влиянието на хормони върху активността на ензими.
Клетъчна биоенергетика – изследване ефектите на природни и новосинтезирани съединения, на наноматериали и др. върху активността на митохондриална АТФаза, ацетилхолинестераза и др. ензими при бозайници.
Физиология на поведението – изследват се потенциалните ефекти на различни вещества (с растителен или друг произход) върху централната нервна система на лабораторни гризачи чрез прилагане на методи за оценка на изследователско поведение, тревожност, обучение, памет, двигателна координация и социалнo поведениe на животните, както и за изследване на болкова чувствителност и възпаление, на метаболизъм и др.
Възможностите за провеждане на широк спектър от in vivo и in vitro физиологични изследвания по тематиките на Катедрата са осигурени и от базата на изградения в рамките на Център за компетентност „Устойчиво оползотворяване на био ресурси и отпадъци от лечебни и ароматични растения за иновативни биоактивни продукти” Вивариум с физиологична лаборатория, оборудван със съвременна обща и специализирана апаратура.
Катедрата поддържа активно научно сътрудничество с преподаватели и учени от ФХФ на СУ, ИБФБМИ – БАН, Институт по невробиология – БАН, ИЕМПАМ – БАН, ИБИР – БАН, с колеги от Германия, Япония и Северна Македония.
През последните 10 години (2015-2025) преподавателите в катедрата са публикували над 70 научни труда, повечето от които в реферирани списания с импакт фактор или импакт ранг. Издадени са над 18 учебници и учебни помагала. Публикациите на преподавателите са цитирани над 700 пъти в световната научна литература. Разработени са над 25 национални и международни научно-изследователски проекти, някои от тях текущи.