Die Forschung im Institut gliedert sich in drei Bereiche: in der Expositionsforschung werden sowohl protektive als auch schädliche Umweltfaktoren identifiziert und quantifiziert. Die Reaktionsforschung befasst sich mit den Auswirkungen von Umweltfaktoren auf Gesundheit und Krankheit, sowie Krankheitsverläufe und Multimorbidität. Forschung zu (pathophysiologischen) Wirkmechanismen verbindet die Bereiche der Expositions- und Reaktionsforschung im Institut, mit dem Ziel die bereits identifizierten Assoziationen auch auf biologischer Ebene erklären zu können. 

Expositionsforschung charakterisiert physikalische, chemische und biologische Umweltfaktoren. Durch Messung, Modellierung und Abschätzung wird die raumzeitliche Variabilität dieser Faktoren bestimmt. Am EHSI liegt ein deutlicher Schwerpunkt des Instituts auf atmosphärischen Umweltfaktoren und hier vornehmlich auf den Faktoren thermische Belastung und Luftschadstoffe wie Feinstaub und Ozon. Darüber hinaus wird auch Ernährung als zentrale Expositionsgröße betrachtet, insbesondere im Zusammenspiel mit Umweltfaktoren und individuellen Lebensstilmerkmalen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Untersuchung sozioökonomischer Determinanten und Fragen der Ungleichheit im Kontext umweltbeeinflusster Gesundheit und Krankheit.

Forschung zu Wirkmechanismen zielt auf die Analyse von molekularen Mechanismen und Signalwegen und auf die Identifikation von Anpassungsvorgängen ab. Dabei kommen chemisch-analytische Messverfahren, molekulare Biomarker, komplexe humane in vitro-Modelle und moderne omics-Technologien (z. B. Metagenomics, Metabolomics) zum Einsatz. Prozesse wie die Metabolisierung von Umweltschadstoffen, die Modulation entzündlicher Reaktionen, oder auch die Interaktionen zwischen Umweltschadstoffen und pflanzlichen Inhaltsstoffen werden genauer und mechanistisch besser verstehbar. Ein Schwerpunkt liegt z. B. in der Untersuchung von Erkrankungen, die mit einer Darmbarrierestörung assoziiert sind.

Bevölkerungsbezogene epidemiologische und klinische Studien sind zentrale methodische Ansätze zur Untersuchung von Expositionen und biologischen Reaktionen. Die Einbindung bestehender Kohorten (z. B. KORA, NAKO) am Standort sowie die Durchführung humaner Interventionsstudien stellen dabei wesentliche Elemente der Forschungsstrategie dar.