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於南極洲進行的研究領域十分廣泛，項目遍佈地質學、物理學、天文學、氣象學與生物學等。由於南極擁有得天獨厚的環境，除了乾淨的大氣層、光害極低外，南極座落於地軸處，也使其成為觀測天象、地球自轉的完美地點，位於南極點、最著名的阿蒙森斯克特站便以天體物理研究得名，該研究站專門研究天球與宇宙微波輻射背景。除了阿蒙森斯克特站外，日本昭和站、中國崑崙站、俄羅斯米爾尼站都屬天文研究、觀測重鎮。
南極因為平均海拔高、長年受冰層覆蓋，不少科學機構也在此研究冰川、浮冰移動，阿根廷馬倫比奧海軍懷將站即是專門研究冰川學的基地。順應低溫環境，南極生物學家除了研究極地生物外，也鑽研低溫環境下的人體反應和低溫中病毒傳播速度，著名的研究站為英國錫格蘭尼島站。
南極也是著名的氣象與氣候觀測點，著名的氣象站有澳洲默森站、俄羅斯沃斯托克站。然而礙於低溫，許多研究設備無法運行，加上南極有長達半年的永夜、觀測困難，目前僅有少數國家可執行天氣現象觀測，若想於於南極設立氣候研究站，則多半採取多國合作模式。
麥克默多研究站為南極最大的研究據點。（圖／美聯社）近年極端氣候影響全球，自20世紀70年代開始，人類社會發展產生過多溫室氣體，逐漸使南極上空的臭氧曾破洞，當年發現南極臭氧層破洞的，便是位於南極的英國哈雷研究站。2007年，比利時伊莉莎白公主站則是第一個實現零碳排放的南極研究站，該研究站亦執掌氣候學與冰川學研究，雖然臭氧研究重鎮為美國國家太空總署，但南極目前仍有不少研究站持續觀察臭氧修補情況。
除了枯燥的科學研究外，根據英國《太陽報》報導，南極研究員Vanessa Bowman曾表示，一億年前南極曾有茂密的植被，氣候近似於現今的紐西蘭。該說法雖然曾遭外界指稱是無稽之談，但事實上，約一億七千萬年前，現今的南極州為岡瓦那古大陸的一部分，過去南極洲的位置較為偏北，曾位於溫帶氣候區，是不少古生物的棲息地。之後隨著岡瓦那大陸解體，南極洲約莫於兩千五百萬年前位移到現今位置。
近年的南極研究則指出，南極科學家在冰層底下找到相關細菌與花粉，代表南極過去的氣候和現今不同。南極洲上的生物遺跡則可和其他大洲做對比，便能推估岡瓦那大陸解體後的板塊移動。因此南極也是地質學研究的重鎮，該地的地質學家多研究板塊構造論、岡瓦那大陸相關研究，得以於當代重現古大陸的樣貌。
