Hướng nghiên cứu chính của chị là khảo sát thành phần hóa học một số loài thực vật hoặc địa y ở Việt Nam, đặc biệt là những loài thực vật chưa được các tác giải ở Việt Nam cũng như trên thế giới khảo sát. Trong quá trình nghiên cứu, chị đã tiến hành khảo sát 53 loài cây cho ra kết quả thực nghiệm về hóa học và hoạt tính sinh học của những loài thực vật đó. Chị đã phát hiện được nhiều hợp chất tự nhiên có hoạt tính ức chế tốt sự phát triển của tế bào ung thư ở người như ung thư cổ tử cung, ung thư vú, ung thư phổi hoặc ức chế được các loại enzyme liên quan đến bệnh tiểu đường, gây nám đen da, bệnh Alzheimer… Kết quả công trình nghiên cứu của chị đã đóng góp vào kho tàng cây thuộc Việt Nam đồng thời cung cấp cơ sở dư liệu cho các nhà khoa học, nhất là lĩnh vực hóa dược, có thể định hướng cung cấp cơ sở dữ liệu cho các nhà khoa học, nhất là lĩnh vực hóa dược, có thể định hướng khác thác hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú, phục vụ cho nền công nghiệp dược ở Việt Nam và thế giới.
Với những đóng góp trong nghiên cứu khoa học, Giáo sư. Tiến sỹ Nguyễn Thị Kim Phụng đã vinh dự được trao giải thưởng Kovalevskaia năm 2016.
