Разработанные в отделе методы и теории позволяют использовать современную мировую сеть станций КЛ в качестве единого многонаправленного планетарного детектора, как бы вынесенного в открытый космос. Мониторинг, проводимый с помощью этого детектора, позволяет непрерывно и в широком интервале энергий зондировать с помощью КЛ динамические процессы распространения и ускорения энергичных частиц, электромагнитную и радиационную обстановку в окрестности Земли и во всей гелиосфере.

Проводимые в Отделе многолетние исследования вариаций КЛ включают развитие теории метеорологических и геомагнитных эффектов, возникающих при прохождении релятивистских заряженных частиц через атмосферу и магнитосферу Земли. В частности, предложен метод коэффициентов связи между первичными и вторичными вариациями космических лучей, развита теория геомагнитных вариаций космических лучей, предложено использовать релятивистские частицы для зондирования токовых систем магнитосферы, исследовано воздействие космических лучей на ионосферу и распространение радиоволн. Выполнены важные исследования по проблеме распространения космических лучей в межпланетной среде. Исследованы эффекты предвестников в интенсивности КЛ перед приходом к Земле межпланетных ударных волн. С помощью релятивистских заряженных частиц проводится зондирование структуры выбросов солнечного вещества. Разработана теория анизотропной диффузии релятивистских частиц в гелиосфере и проведено моделирование межпланетной модуляции космических лучей с учетом эффектов запаздывания, реальных изменений солнечного магнитного поля и солнечной активности. Построена теория нелинейного взаимодействия космических лучей с солнечным ветром.

Получены характеристики плотности и анизотропии космических лучей за каждый час в последние 50 лет. Создана база данных, включающая все Форбуш-эффекты и крупномасштабные возмущения солнечного ветра за последние 5 солнечных циклов. Исследуется связь анизотропии космических лучей с параметрами межпланетной среды и её долгопериодное поведение.

Теоретические работы по астрофизике космических лучей ведутся в созданной в 1992 г. лаборатории астрофизических исследований. В лаборатории изучается ускорение и перенос КЛ в Галактике и во Вселенной в целом. К числу важнейших научных результатов, полученных ее сотрудниками, относятся, в частности, определение коэффициентов переноса КЛ в межзвездной среде и построение модели распространения КЛ в Галактике; разработка модели галактического ветра, ускоренного давлением космических частиц с учетом потоковой неустойчивости выходящих из галактики релятивистских частиц; расчет аномальной диффузии КЛ в случайных межзвездных и межпланетных магнитных полях; исследование ускорения КЛ в остатках сверхновых с учетом сильной нелинейности процесса ускорения заряженных релятивистских частиц вблизи фронта ударной волны; расчет потока КЛ сверхвысоких энергий, ускоренных в скоплениях галактик и распространяющихся в расширяющейся Вселенной, заполненной фоновым излучением.

Результаты работы Отдела представлены на многих российских и международных конференциях и опубликованы в отечественной и зарубежной печати, издано больше десятка монографий, главным образом написанных профессором Л.И. Дорманом. Работа отдела ежегодно поддерживается грантами РФФИ. Сотрудники Отдела неоднократно участвовали в работе зарубежных проектов и программ (EOARD, INTAS), а в настоящее время Отдел принимает активное участие в Международном Европейском проекте в рамках программы FP7 "Real Time database for high resolution Neutron Monitor measurements" N213007 (e-infrastructure, Combination of Collaborative Project and Coordination and Support Action), в котором ИЗМИРАН является руководителем программы Application" - по использованию базы данных в реальном времени.