Přírodovědecké oddělení se zabývá jednak problematikou aplikací přírodovědných metod v archeologii, ale i základním výzkumem v jednotlivých biologických oborech, které úzce souvisejí s archeologií a studiem minulosti obecně. Oddělení je tak spíše heterogenním celkem, který zahrnuje některé specifické oblasti antropologie, zoologie a botaniky.

V rámci antropologie představuje hlavní pracovní náplň genetika a demografie. Genetické či archeogenetické studie se týkají aplikace molekulárně biologických metod na problematiku demografické historie jednotlivých populačních celků. Kromě izolace DNA z kosterního materiálu pravěkých a středověkých koster, jde také o vysvětlení genetické struktury současných populačních skupin. Pracoviště se intenzivně věnuje populační historii v oblasti Čadské pánve, kterou studuje prostřednictvím mitochondriální diverzity lokálních populací. V rámci demografie se oddělení věnuje významu metodologických artefaktů vynikajících při aplikacích různých metod určení pohlaví a odhadu věku dožití na lidské kostře. Neoddělitelnou součástí demografických poznatků je i výzkum zdravotního stavu archeologických populací, na který poukazuje paleopatologie. Dlouhodobým cílem či koncepcí antropologie na přírodovědeckém oddělení Archeologického ústavu AVČR je propojení demografických a populačně genetických výzkumů za účelem lepšího porozumění mikroevolučním procesům, které utvářely variabilitu současného člověka.

Vlastní oblastí zájmu archeozoologie je studium průběhu domestikace. Pozornost je věnována ekologickým a etoekologickým interpretacím a zoologickému studiu jednotlivých druhů. Charakter disciplíny vyžaduje spolupráci a kombinaci poznatků z mnoha přírodovědných, humanitních i aplikovaných oborů. Hlavní pracovní náplň představuje determinace, analýza a zhodnocení osteologických souborů i jednotlivých nálezů. Využívány jsou při tom tradiční přístupy i nové metody. Mezi základní řešené otázky patří zastoupení jednotlivých zvířecích druhů, podíl lovné zvěře, plemenná příslušnost, velikost a morfologie domácích zvířat, zastoupení věkových kategorií, poměr pohlaví, zdravotní stav zvířat, pracovní využívání domácích zvířat, řeznické a kuchyňské postupy, tafonomie, využití kostí a zubů k výrobě nástrojů, rituální a náboženské aspekty, charakter životního prostředí. Všechny tyto řešené otázky pomáhají objasnit celkový obraz života lidí v různých časových obdobích.

V rámci archeobotaniky představuje hlavní pracovní náplň výzkum vývoje kulturní krajiny, vztahu člověka a vegetace, dynamiky vegetace v průběhu postglaciálu a využití rostlin (kulturních i divoce rostoucích) člověkem. Používanými metodami jsou především pylová analýza a analýza rostlinných makrozbytků (včetně zbytků dřev). Využíván je jak materiál přímo z archeologických vrstev, tak materiál z profilů přirozenými uloženinami (jezerními a rašeliništními). V současné době archeobotanická pracovní skupina intenzivně řeší problematiku historie vztahu lesa a bezlesí a vývoje kulturní krajiny ve staré sídelní oblasti středních Čech. Spolupracuje zároveň na řadě archeologických výzkumů a projektů vedených pracovníky ostatních oddělení Archeologického ústavu AVČR. Dlouhodobým cílem pracovní skupiny je porozumět procesům vedoucím ke vzniku naší současné, kulturně podmíněné vegetace, která je svého druhu lidským artefaktem.