Das GFZ gliedert sich in fünf Fachabteilungen, genannt "Departments": "Geodäsie und Fernerkundung", "Physik der Erde", "Geodynamik", "Chemie der Erde" und "Geoengineering". Hinzu kommen noch die "Wissenschaftliche Infrastruktur und Plattformen" mit Großgeräten (MESI), Observatorien und "Scientific Drilling ICDP". Die Forschungs-Schwerpunkte der Departments sind:

• Geodäsie und Fernerkundung: GPS/Galileo-Technologien, Erdbeobachtungssatelliten, Schwerefeld und Gravimetrie, Fernerkundung, Erdsystenmodellierung und Geoinformatik. Zu den Aufgaben gehört die Erforschung des Erdschwerefeldes und der Erdrotation, internationale Dienste hierzu (IERS, IGS und 4D-Erdmodellierung); Entwicklung von Forschungssatelliten (siehe unten) und von Methoden der Kosmischen Geodäsie (insbes. Galileo), Fernerkundung (Remote Sensing)
• Physik der Erde: Erdbebenrisiko und Frühwarnung, Geophysikalische Tiefensondierung, Erdmagnetfeld, Seismologie, Geodynamische Modellierung, Erdbebengefährdung und Spannungsfeld. Zu den Forschungsfeldern gehören: geophysikalische Erforschung der Erdkruste und des Erdmantels, Angewandte Seismologie (Analyse von Erdbeben und anderen Naturkatastrophen, globales seismologisches Monitoring, Tsunami-Frühwarnsystem); Erdmagnetfeld und solar-terrestrische Beziehungen (Sonnenaktivität etc.,
  • Die beiden Departements kooperieren intensiv bei der Entwicklung von Forschungssatelliten (Start GFZ-1 1992, CHAMP 2000, 2 GRACE-Satelliten 2002, GOCE, Laser-Ranging und Gradiometrie).
• Geodynamik und Geomaterialien: Dynamik der Lithosphäre (siehe Plattentektonik), Geomechnik und Rheologie, Chemie und Physik der Geomaterialien und die Oberflächennahe Geochemie.
• Chemie und Stoffkreisläufe der Erde: Geothermie, Anorganische und Isotopen-Geochemie, Organische Geochemie, Sedimentbecken-Analyse und Geomikrobiologie
• Prozesse der Erdoberfläche: Geoökologie und Geomorphologie, Klima-Dynamik und Landschaftsentwicklung, Hydrogeologie, Ingenieur-Hydrologie

Große Forschungsthemen sind zeitlich befristet in den Geoengineering Zentren eingebunden. Zur Zeit gibt es dort das Zentrum für CO2-Speicherung, das Internationale Geothermie-Zentrum, das Zentrum für Tsunami-Frühwarnung und PACE.

Das GFZ hat mehrere Satelliten entwickelt. Bereits der erste davon hat das Institut über die engeren Kreise seiner Wissenschaft hinaus bekannt gemacht.

Dieser erste, noch kleine LASER- und Forschungssatellit wurde GFZ-1 genannt und wurde 1992 für die Satellitentriangulation und die Analyse des irdischen Schwerefeldes gestartet. Seine Bahn in 400 km Höhe war für eine Lebensdauer von rund 5 Jahren ausgelegt. GFZ-1 wog 21 kg und war mit 60 passiven Laser-Reflektoren ausgerüstet, mit denen seine Entfernung zu den verschiedensten Bodenstationen cm-genau gemessen wurde.

Im August 2000 wurde (nach einiger Verzögerung) sein Nachfolger CHAMP für verfeinerte Messungen im Erdschwere- und Magnetfeld gestartet. Das Akronym steht für Challenging Minisatellite Payload for Geophysical Research. CHAMP bestimmt auch bestimmte Parameter der Sonnenaktivität.

Im Satellitenprojekt GRACE hat das Geoforschungszentrum entscheidenden Anteil an der Entwicklkung zukunftsweisender Satellitentechnik. Man kann die zwei 2002 gestarteten GRACE-Satelliten als zwei CHAMPs betrachten, die auf derselben Umlaufbahn in etwa 200 km Distanz hintereinander fliegen und dabei mit Mikrowellen laufend ihre Distanz (Elektronische Distanzmessung) und Dopplerverschiebung messen. Diese modernste Technik wird Satellite-to-Satellite Tracking (SST) genannt und analysiert laufend die Entfernung der beiden Satelliten auf Millimeterbruchteile genau. Daraus werden zusätzliche Messwerte produziert, aus denen man schließlich ein äußerst genaues, über etwa 100 x 200 km geglättetes Schwerefeld ableiten kann.

Seit einigen Jahren kooperiert das GFZ mit dem Entwicklungsteam des geplanten GOCE-Satelliten, der die GRACE-Methodik noch weiter verfeinern soll. Auch eine Kooperation zur Weiterentwicklung des PRARE-Meßsystems sowie mit der Satellitenstation Wettzell im Bayrischen Wald ist im Gange.

Seit Anfang 2005 entwickelt das GFZ in Zusammenarbeit mit weiteren Partnern aus Wissenschaft, Forschung und Industrie ein Tsunami-Frühwarnsystem für Indonesien (GITEWS) und den östlichen Indischen Ozean. Insgesamt sollen bei dem Projekt 10 weit verteilte Messbojen verlegt werden, die zwischen Sumatra und Bali die gefährlichen, aber am Meeresspiegel kaum merklichen Wellen registrieren können. Die Daten werden via Satellit an ein Frühwarnzentrum weitergeben. Die Kosten in Höhe von 45 Mio. Euro stellte das Bundesforschungsministerium im Mai 2005 zur Verfügung.