Uno de los ejes de actuación del Museo es la investigación centrada en los ámbitos relacionados, directa o indirectamente, con su temática y su espacio territorial: "Tarraco y el ager Tarraconensis" desde los antecedentes de la cultura ibérica (s. VI-V a. C.) hasta el fin del periodo visigótico (s. VII-VIII d. C.).
Es la investigación, lo que contribuye a un mejor conocimiento tanto de las piezas que conforman nuestras colecciones como de los yacimientos y conjuntos arqueológicos que gestiona el Museo (Villa romana de Els Munts, Conjunto romano de Centcelles, Teatro de Tárraco, Necrópolis de Tárraco, Torre de los Escipiones y Arco de Berà), para conseguir un mejor conocimiento del pasado de Tárraco y su territorio.
En los últimos 15 años, se han llevado a cabo intervenciones arqueológicas en la Villa romana de Els Munts, la Necrópolis de Tárraco, el Conjunto romano de Centcelles y el Teatro de Tárraco que, en diversa medida, han aportado datos de relevancia sobre las características, la funcionalidad y el proceso evolutivo de estos importantísimos conjuntos de la Tárraco romana.
Además de los programas propios respecto a sus colecciones y a los monumentos que gestiona, el MNAT participa activamente en la investigación a través de la colaboración o participación en proyectos de otras instituciones científicas. Los resultados, tanto los propios como los de otras instituciones, se difunden a través de la organización o participación en seminarios, conferencias, exposiciones y publicaciones. La atención y el apoyo a los investigadores sobre ámbitos afines a la colección también forman parte de las actividades del MNAT.
