Các nghiên cứ khoa học của Giáo sư, Tiến sĩ, Nhà giáo ưu tú Nguyễn Thị Thanh Mai tập trung vào lĩnh vực phát hiện thuốc từ dược liệu Việt Nam, tiên phong trong việc kết hợp y học cổ truyền Việt Nam với khoa học hiện đại. Bà đứng đầu 14 dự án nghiên cứu và xuất bản 90 bài báo quốc tế và 80 bài báo quốc gia. Bà được trao Giải thưởng Sáng tạo Thành phố Hồ Chí Minh năm 2019, Giải thưởng Kovalevskaia tôn vinh các nhà khoa học nữ trong lĩnh vực khoa học tự nhiên năm 2021 cùng nhiều giải thưởng khác.