לאחר סיום קורסי החובה ולאחר קבלת אישורה של המועצה המדעית על הצעת המחקר, ניתן להתחיל בביצוע העבודה בפועל וזאת החל מתאריך שאישרה המועצה המדעית.
עבודת המחקר תתבצע במשרה מלאה, במשך שישה חודשים רצופים (לא ניתן לפצלה לתת תקופות) ובמסגרת ההתמחות. כמו כן, יודגש כי על המתמחה לעבוד במחלקת הרוטציה/מדעי היסוד ואין להחזירו למחלקה.
ניתן לבצע את עבודת המחקר במעבדות רפואיות, במעבדות מחקר, במכונים רפואיים או במחלקות בתי החולים.
על המתמחה לתעד תקופה זו בפנקס ההתמחות ובתום תקופת המחקר, תוך שנתיים מסיומה, על המתמחה להגיש דו"ח מחקר.
בתקופת המחקר במדעי יסוד, המתמחה רשאי/ת אך אינו חייב/ת, לצורך הכרה בהתמחות, לבצע תורנויות, וזאת בכפוף להסדרים ולהסכמים הקיימים.