Die Forschungsaktivitäten der Neurologischen Klinik umfassen die Schwerpunkte Klinische Schlaganfallforschung, Neurologische Bildgebung, Neurodegeneration, Neuroimmunologie, Hirntumorimmunologie, Neurologische Notfallmedizin, Neuroplastizität und Schmerzforschung.

Die Neurologische Klinik arbeitet dabei eng mit anderen Abteilungen der UMM, der Medizinischen Fakultät Heidelberg und anderen Einrichtungen der Universität Heidelberg, dem Zentralinstitut für Seelische Gesundheit, dem Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) Heidelberg, der Hochschule Mannheim und dem Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg zusammen.

Mit ihren Forschungsschwerpunkten ist die Neurologische Klinik an Sonderforschungsbereichen (SFB 1366, SFB 1389), Graduiertenkollegs (GRK 2099, GRK 2350, GRK2727), einer Forschergruppe (FOR 2690), dem ICON-Programm, dem Mannheim Cancer Center (MCC), dem Mannheim Institute for Innate Immunoscience (MI3), dem Zentrum für Präventivmedizin und Digitale Gesundheit (CPD), dem Helmholtz Institute for Translational Oncology (HI-TRON) Mainz, dem Deutschen Konsortium für Translationale Krebsforschung (DKTK), der Flagship-Initiative „Engineering Molecular Systems“ (FI-EMS), der Heidelberg Karlsruhe Strategic Partnership (HEiKA), an landes- und bundesgeförderten Projekten zur digitalen Gesundheitsinnovationen wie dem CLINNOVA-Projekt und der Heidelberg-Mannheim Health and Life Science Alliance beteiligt. Die translationalen Forschungsaktivitäten im Bereich der Schlaganfallmedizin sind im European Center for Angiosciences (ECAS) vertreten. Über die neuroonkologische Forschung ist die Neurologische Klinik mit der Neurologischen Klinik des Universitätsklinikums Heidelberg Partner im Hertie Network of Excellence in Clinical Neuroscience.

Zentrales Element für die Erforschung neurologischer Krankheiten ist die Biobank als Teil der übergeordneten Biobank-Struktur an der UMM. Hier werden Proben, wie Blut, Gewebe usw. gelagert um neuroonkologische, neurodegenerative, neuroimmunologische oder neurovaskuläre Erkrankungen zu untersuchen, mit dem Ziel, neue Therapieansätze zu entwickeln. Darüber hinaus werden im Rahmen des Studienzentrums der Neurologischen Klinik Studien durchgeführt, die ebenfalls maßgeblich zur Erforschung der diversen neurologischen Erkrankungen beitragen.

Innerhalb der Medizinischen Fakultät Mannheim sind die Forschungsaktivitäten der Neurologischen Klinik im Forschungsschwerpunkt Translationale Neurowissenschaften und im Mannheim Center for Translational Neuroscience (MCTN) eng mit den neurowissenschaftlichen Partnern aus den klinischen und vorklinischen Neurofächern und dem Zentralinstitut für seelische Gesundheit vernetzt.