Музей книги здійснює наукову та науково-дослідну роботу у сфері вивчення рідкісних і цінних видань, історії книгодрукування та книжкової культури. Одним із основних є дослідження «Бібліотечні фонди ХVІІ - поч. ХХ ст.: вивчення, введення до наукового обігу», що  отримало статус постійно діючого. Результати вивчень відображаються у бібліографічних покажчиках і довідниках. Зокрема, результатом дослідження книг стало створення бібліографічних видань «Книги мудрості людства (церковно-релігійна література у фондах бібліотеки)», «Українська книга ХІХ - поч. ХХ ст. у фонді Миколаївської ОУНБ».

Нарівні із книжковим фондом активно досліджуються й періодичні видання, репертуар яких нараховує більше 240 назв. Ця робота відображена на сторінках таких видань, як «Джерела української історії (українські періодичні видання ХІХ - поч. ХХ ст. у фондах ОУНБ», «Періодичні видання ХVIII - поч. ХХ ст. у фонді Миколаївської ОУНБ», «Періодичні видання 1918-1949 рр. у фонді Миколаївської ОУНБ» (Ч. 1, 2).

Одним із напрямів діяльності Музею є оцифрування фондів із використанням спеціалізованого обладнання, що дає змогу зберігати та популяризувати рідкісні видання у цифровому форматі. Також фахівці Музею беруть участь у підготовці наукових публікацій, формуванні тематичних книжкових колекцій, організації екскурсій, презентацій та інших соціокультурних заходів, спрямованих на популяризацію друкованої спадщини.

Наукові публікації

1. Агаркова, В. Миколаївська обласна універсальна наукова бібліотека: трансформація змісту та образу: (до 140-річчя з дня заснування) / В. Агаркова // Краєзнавчий альманах. Історія. Археологія. Наука. Культура. Освіта / упоряд.: В. І. Шуляр, Г. М. Запорожченко, О. О. Мілейко ; голов. ред. В. Шуляр ; Миколаїв. обл. ін-т післядипл. пед. освіти. - Миколаїв, 2021. - С. 120-127.
2. Дементьєва, І. Колекції раритетних видань в експозиціях Музею книги [Електронний ресурс] / І. Дементьєва // Пам'ятки писемності та культури: вивчення, збереження, популяризація: матеріали Всеукр. наук.-практ. конф. з міжнар. участю до 100-річчя Музею книги відділу рідкісних видань та рукописів Одес. нац. наук. б-ки, Одеса, 6-7 груд. 2022 р. / упоряд. Г. М. Шпак ; відп. ред. Л. В. Арюпіна. - Одеса, 2023. - С. 67–72.
3. Кошмал, Б. С. Наукове дослідження книжкових колекцій видатних миколаївців кінця XIX - початку XX століття: (з досвіду роботи Миколаївської обласної універсальної наукової бібліотеки) // Історія. Етнографія. Культура. Нові дослідження: зб. наук. матеріалів XIV Миколаїв. обл. краєзнав. конф. (Миколаїв, 20-21 листоп. 2025 р.). - Миколаїв, 2025. - С. 15–17.
4. Серебрякова, Т. В. Музей книги у бібліотеці як центр збереження та популяризації книжкових пам'яток / Т. В. Серебрякова // Інформаційні комунікації в культурі та мистецтві: матеріали Всеукр. наук.-практ. конф. (8 квіт. 2021 р.) / [ред. кол.: Н. В. Федотова (голов. ред.) та ін.]. - Миколаїв, 2021. - С. 60–64.