קידום המחקר הרפואי הוא חלק מהותי מחזון המרכז הרפואי שערי צדק. המחקר נמצא בהוויה היומיומית של כל מחלקות בית החולים תוך מאמץ מתמשך לחקר מחלות, מציאת טיפולים וטכנולוגיות חדשות, פיתוח אלגוריתמי טיפול חדשניים, מניעת מחלות ושיפור הרפואה בארץ ובעולם. רוב הרופאים והרופאות בשערי צדק מעורבים בעשייה המחקרית, חלקם בשיתוף פעולה חוצה מדינות ויבשות. נושאי המחקר מגוונים וכוללים מדע בסיסי, מחקר קליני, מחקר אדמיניסטרטיבי על בסיסי מידע וביג-דאטה, כלכלת בריאות, הערכת יעילות טיפולים תרופתיים במחקרים מבוקרים והערכת טכנולוגיה. חוקרי שערי צדק זוכים מדי שנה במענקי מחקר יוקרתיים מהארץ והעולם כגון האקדמיה הישראלית למדעים, האיחוד האירופי, קרן הלמסלי, האגודה למלחמה בסרטן ועוד. סך המענקים עולים על 16 מיליון ₪ כל שנה. למעלה מ-600 מאמרים מדעיים מתפרסמים על ידי חוקרי שערי צדק בכתבי עת רפואיים מדי שנה.
תוכניות רופא - חוקר פנימיות מקודמות בבית החולים מזה מספר שנים במטרה לקדם מתמחים ומומחים צעירים כחלק מהכשרת דור העתיד. תכניות אלו, הכוללות תל"מ במחקר, בראש וי.ר.ח מלוות כ 40 רופאים ורופאות בתכניות שאורכן כשלוש שנים.
המרכז הרפואי שערי צדק מסונף לאוניברסיטה העברית בירושלים ומלמד סטודנטים לרפואה ולמקצועות הבריאות. תכניות מחקר ייחודיות לחוקרי האוניברסיטה העברית עם רופאי ורופאות בית החולים מקדמות עשרות שיתופי פעולה בין המוסדות השכנים, בייחוד עם הפקולטה לרפואה, המכון למדעי החיים, המרכז לחקר המוח, והמרכז לאנליזות נתונים ומחשבים. שיתופי פעולה נוספים כוללים מגוון ארגונים כגון בצלאל האקדמיה לאמנות ולעיצוב, מכללת עזריאלי להנדסה, ואונ' תל אביב.
בשנת 2015 הוקמה חברת מדעית שערי צדק בע"מ, חברת הבת של המרכז הרפואי למחקר, יזמות וחדשנות. החברה הוקמה במטרה לגשר ולחבר בין חברות טכנולוגיה לבית החולים ולאפשר שיתופי פעולה מהירים, נוחים ויעילים על מנת לקדם את הרפואה ולהוות פלטפורמה לפיתוח רעיונות יזמיים של רופאי בית החולים.
מדעית מקדמת בשם שערי צדק מגוון רחב של שיתופי פעולה והתקשרויות מול חברות דרך מרכז החדשנות של מדעית, TTO, מרכז לרפואה דיגיטלית, היחידה למחקרים קליניים והסכמי ייעוץ. מדעית חותמת על למעלה מ 600 הסכמים לשנה עם חברות ביוטכנולוגיה, רפואה ודאטה כולל מסחור ידע, מידע וטכנולוגיות, ניסויים קליניים, והסכמי שירות שונים. שיתוף הפעולה עם מדעית מאפשר לחברות מסחריות גישה למידע רפואי מסוגים שונים דימות ודגימות, גיוס מטופלים, וליווי צוות רפואי מקצועי. בנוסף, המרכז הרפואי מציע שירותי מעבדה ותשתיות מו"פ שונות לטובת קידום המחקר.
מדעית בשם המרכז הרפואי שערי צדק שותפה בחממת אינסטיב – חממה טכנולוגית של רשות החדשנות, במסגרתה חברות צעירות נכנסות לתוכנית של שנתיים לקידום פיתוח המוצר. כמו כן למדעית תוכנית פנימית לסטרטאפים בה בית החולים פותח את שעריו ומאפשר גישה למשאבי בית החולים ולליווי צמוד של הצוות של מדעית.