Los grupos de investigación están constituidos de acuerdo con las líneas de investigación que desarrollan. La definición de grupo requiere la colaboración efectiva de sus miembros, a través de la participación en proyectos comunes y a la existencia de un registro de publicaciones conjuntas de calidad contrastada y número suficiente, a juicio de la Comisión Ejecutiva. Cada grupo de investigación requiere la existencia de un proyecto financiado de suficiente entidad, si bien se considera el caso particular de los grupos emergentes que están presentándose a convocatorias públicas competitivas. Durante el periodo 20-21 el ITB se ha organizado en cuatro grandes programas de investigación, descritos a continuación. Tras los análisis estratégicos realizados durante los últimos años, recientemente el ITB se ha propuesto la reorganización del Instituto en tres programas de investigación.
Adicionalmente, aunque no forme parte estricta de esta estructura, en el instituto están integrados grupos de investigación con actividades complementarias y potencialmente colaboradoras en áreas en fase de desarrollo, o que tienen la función de proporcionar servicios a los miembros del instituto, como laboratorios y unidades asociadas en la Plataforma de Innovación Biosanitaria.
En la descripción de cada grupo se incluye la relación de sus componentes que son miembros formales del Instituto, incluyendo Investigadores Responsables, Investigadores Asociados e Investigadores en Formación. En cada grupo se incluyen, además, investigadores colaboradores externos e investigadores asistenciales que no son formalmente miembros del instituto.