Công tác nghiên cứu khoa học ở Khoa Toán - Cơ - Tin học không ngừng được đẩy mạnh, đặc biệt trong giai đoạn hiện nay vì mục tiêu xây dựng đại học nghiên cứu tiên tiến. Quan hệ hợp tác trong nước và quốc tế được tăng cường. Đã hình thành những nhóm nghiên cứu mạnh về Tôpô Đại số, Phương trình vi phân, Giải tích số, Xác suất - Thống kê... với nhiều công trình khoa học được công bố trên các tạp chí uy tín quốc tế.
Một nhà khoa học tiêu biểu của Khoa, GS.TSKH. Nguyễn Hữu Việt Hưng đã được Đại học Quốc gia Hà Nội trao tặng giải thưởng cho cụm công trình nghiên cứu khoa học xuất sắc giai đoạn 2001-2005, và năm 2014 đã được trao tặng giải thưởng Tạ Quang Bửu cho công trình "The homomorphisms between the Dickson-Mùi algebras as modules over the Steenrod algebra", Mathematische Annalen 353 (2012), 827-866.
Khoa đã tổ chức thành công một số hội nghị quốc tế và trường quốc tế, như:
- Hội nghị quốc tế về Tin học IEEE-RIVF (2010)
- Hội nghị quốc tế về Phương trình vi phân và ứng dụng (2009)
- Hội nghị Tôpô Đại số Đông Á lần thứ 3 (2009)
- Hội thảo quốc tế về tính toán hiệu năng cao và ứng dụng (2005)
- Trường quốc tế về công nghệ phần mềm tiên tiến (2004)
- Trường quốc tế và hội nghị quốc tế về tôpô đại số (2004)
- Hội nghị quốc tế về phương trình vi phân, lý thuyết xấp xỉ và ứng dụng (2001)
- Trường quốc tế CIMPA-UNESCO-HANOI về hệ khả tích và điều khiển
Ngoài ra, một số cán bộ trong Khoa còn là đồng chủ trì nhiều hội nghị quốc tế và chủ trì nhiều hội nghị khoa học cấp quốc gia khác. Điều này chứng tỏ uy tín khoa học cũng như năng lực tổ chức của cán bộ trong Khoa ngày càng được nâng cao.
Hơn 10 seminar thường xuyên hoạt động tại Khoa thu hút được nhiều nhà khoa học trong và ngoài trường tham gia. Nhiều cán bộ trẻ của Khoa hăng say nghiên cứu khoa học, đã có công trình công bố trên các tạp chí uy tín trong và ngoài nước.
Số lượng các công trình được các cán bộ của Khoa công bố trên các tạp chí quốc tế đã tăng mạnh trong những năm gần đây. Nếu như giai đoạn từ 2008 trở về trước số lượng công trình quốc tế do các cán bộ của Khoa công bố chỉ khoảng 20 bài/năm thì năm 2009 là 43 bài và năm 2010 là 48 bài, năm 2013 là 58 bài. Trong năm học 2013-2014, các cán bộ của Khoa đang chủ trì 9 đề tài do quĩ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tài trợ. Ngoài ra các cán bộ của Khoa, đặc biệt các cán bộ trẻ, còn chủ trì và tham gia nhiều đề tài cấp ĐHQG.