分子合成
深圳湾实验室化学生物学研究所分子合成方向致力于利用有机合成、有机催化、生物合成等方法开拓复杂天然分子新合成方法，并且揭示这些方法背后的分子原理。
功能生物分子
深圳湾实验室功能生物分子方向致力于利用化学-生物交叉手段研究并调控包括蛋白、核酸、糖和脂质等生物大分子的功能。该方向将协同整合蛋白质化学、化学基因组学、基因编辑等交叉领域，研究生物体内分子间相互作用、功能机制等，并推动在疫苗开发、基因疗法、细胞疗法、小分子及生物药物上的转化应用。
化学微生物学
深圳湾实验室化学生物学研究所化学微生物学方向致力开拓并利用化学和生物相结合的方法解析微生物（特别是微生物组中）与人体健康和疾病的分子机理。
生物物理化学
深圳湾实验室化学生物学研究所生物物理化学方向旨在以物理化学的思路和工具来回答生物学问题，致力于通过理论和定量的方法去探究复杂生物化学反应的热动力学、分子动力学、统计力学等特性。生物物理化学亦力求开发全新的分析探测技术，以实现在分子尺度的更高分辨率的定量解析。
