2007年，蒙牛耗资12亿元，建成了集科研、检验、智能制造、参观于一体的科技大楼。基于“再创一个新蒙牛”的战略，蒙牛研发持续推进产品创新升级和品牌力提升，在奶源、产品、工艺、技术、检验等方面不断创新，用高品质的产品和服务满足消费者的需求。

蒙牛自1999年创业之初即建立了专业的研发团队，通过完善的人才引、育、留机制，吸引了国内外大量乳业科研人才。截至2023年6月，蒙牛研发在职人员共368人，其中硕士及以上学位人员占比80%，博士45人。有来自美国康奈尔大学、俄亥俄州立大学、英国剑桥大学、哥本哈根大学、北京大学、中国农业大学、江南大学等中外名校的高端人才。蒙牛研发首席科学家母智深博士当选俄罗斯自然科学院外籍院士，团队内多人获得 “草原英才”、“突出贡献专家”、“新世纪321人才”、“青年创新人才”等省部级称号，在IDF（国际乳品联合会）等全球乳制品相关专业组织中担任职务，在国际乳业科技合作中发挥中国乳业中坚力量。

蒙牛持续加强产学研合作，在呼和浩特和北京建立了博士后科研工作站，并与数十家食品行业领先的科研机构及高校开展合作，重点合作单位包括中科院、中国农大、江南大学、康奈尔大学、内蒙农大等顶尖科研资源，围绕原奶品质、感官科学、包材创新、工艺创新、营养健康、生物技术等核心研究领域，聚焦中国乳业“卡脖子”难题，在母婴营养研究、菌株筛选及国产化、原奶生物富集技术、乳品深加工技术等方向联合攻关，获得了丰厚的研究成果。

蒙牛已设立9家境内外研发机构，包括呼和浩特、北京、上海等境内研发中心，以及蒙牛欧洲创新中心、印尼蒙牛研发部、印尼AICE（艾雪）研发部、蒙牛雅士利新西兰研发部、澳大利亚贝拉米研发部、北美草业研发基地等境外研发组织。

蒙牛作为中国航天事业战略合作伙伴，与航天员研究院成立联合实验室，对在轨航天营养功能乳制品进行研究，对特殊膳食食品的研究具有重要意义。2022年10月，蒙牛与中国航天合作，培育筛选出“2016国人1号菌株”和“2016国人2号菌株”两株太空培育型菌株。

蒙牛在2023年入选农业产业化国家重点龙头企业，作为乳业“国家队”，蒙牛拥有国家知识产权示范企业、国家技术标准创新基地（乳业）、国家乳品加工技术研发专业分中心、国家工业产品绿色设计示范企业、自治区乳品营养健康与安全企业重点实验室、自治区企业技术中心、自治区技术创新示范企业、自治区乳制品工业设计中心、乳品营养健康与安全内蒙古自治区工程研究中心等多个国家级、省部级科技创新平台及荣誉称号，成立了蒙牛企业科技协会，2023年通过了中国乳制品工业协会“乳制品科技创新基地”的评审认定（乳制品加工企业唯一），实现了政企科技合作平台提质升级。
蒙牛专利申请和授权数量名列行业前茅。截至2022年底，累计在国内申请专利3747件，累计申请PCT国际专利22件；累计获国家专利银奖1项（乳业唯一）、国家优秀专利奖3项。
蒙牛近10年来累计承担了国家与省部级重大科研任务16项，累计主持或参与制修订标准69项，包括国际标准1项、国家标准26项、行业标准15项、地方标准14项、团体标准13项。
蒙牛累计荣获各类科技奖项87项，包括：国家科技进步奖1项；中华农业科技奖等省部级奖项8项；市级奖项8项；学会、协会级奖项62项；其他机构奖项8项。

蒙牛营养健康业务覆盖常温乳制品、低温乳制品、鲜奶、奶粉、奶酪、饮料、冷冻饮品、保健食品、运动营养食品、特医食品等10大品类，400多个SKU。
特仑苏以优质奶源、低温膜浓缩技术和优质营养持续引领国内高端奶市场。
在益生菌研究领域，蒙牛自2006年起就开启了自主知识产权菌株的研究工作。其中，优益C产品布局专利30件，其中副干酪乳杆菌PC-01荣获迄今乳业唯一的中国专利银奖。蒙牛联合中国农业大学、内蒙古农业大学等科研机构，开展了包括巴马长寿老人和中国健康母婴的菌群研究等一系列科研项目，已开发出PC-01、BB-11、MN-Gup等一系列自主知识产权菌株。2021年，蒙牛推出全球首款母乳益生菌儿童奶粉，添加的乳双歧杆菌Probio-M8是第一株源于我国母乳的商业化益生菌株。
在婴幼儿营养研究领域，蒙牛瑞哺恩婴幼儿配方乳粉打破国外技术垄断，突破了核心配料长期依赖进口的难题。该创新成果获得了2022年度中国食品科技学会产品创新一等奖。
在中老年营养研究领域，蒙牛不断强化中老年奶粉、成人营养的研发与投入，针对中老年人群身体特征及营养补充需求，围绕糖尿病、骨骼健康、心脑血管健康等痛点，开发出“悠瑞”系列中老年奶粉，并通过低GI（血糖生成指数）食品认证。蒙牛还与中国农业大学合作，对富硒羊奶及后续功能乳粉在机体免疫力作用和身体活力方面的作用进行研究与评价。
作为较早开展HMOs科学研究的中国乳企，蒙牛从2016年起联合美国UC DAVIS、北大医学部、中科院化学所、中科院大连化物所等国内外顶尖科研院所，针对中国母乳中HMOs构成开展相关队列研究，比较中外母乳差异，解析中国母乳HMOs组成特征。针对HMOs改善婴幼儿健康（肠道健康、脑发育）、对成人肠道、免疫以及改善老年认知等功效开展了相关研究及专利布局。自主研发的HMOs已通过农业农村部安全评估，即将实现产业化并助力推动中国婴幼儿食品研发升级，为中国食品科学技术学会组织起草的《母乳低聚糖（HMOs）的科学共识》提供了科学研究参考。