Villum Fonden støtter større forskningsaktiviteter, specielt inden for områderne teknisk videnskab, naturvidenskab, jordbrugs- og veterinærvidenskab, miljøet og erhvervsforskning. Støtten gives både til lønmidler, drift og anskaffelse af apparatur til forskningsformål, specielt hvis der er tale om frontforskning.  Gæsteforskerprogram Villum Fondens gæsteforskerprogram giver danske universiteter mulighed for at tiltrække førende udenlandske forskere fra internationale universiteter. Målet er at styrke forskning og uddannelse ved hjælp af international viden og erfaringer. Siden 2001, har Villum Fonden desuden finansieret et “postdoc-program” for det naturvidenskabelige og tekniske område til. Postdoc-programmet tildeler stipendier til yngre forskere efter ph.d.-niveau og programmet administreres af universiteterne.  Forskningscentre uden mure Villum Fonden støtter også forskningscentre uden mure, de såkaldte “Centres of Excellence” med større bevillinger. Udpegningen af "Centres of Excellence" sker på fondens eget initiativ, og centrene kan således ikke selv søge.  Årslegater Villum  Fonden uddeler hvert år Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning til en dansk forsker, som har opnået international anerkendelse for fremtrædende forskning inden for de tekniske og naturfaglige områder. Årslegatet er den største danske forskerpris. I 2008 blev årslegatet tildelt til Professor Anja Boisen, Institut for Mikro- og Nanoteknologi, Danmarks Tekniske Universitet. Hun modtog årslegatet for hendes markante og innovative forskningsindsats inden for det nanoteknologiske forskningsområde. I 2009 blev årslegatet tildelt til to professorer for at fejre Villum Kann Rasmussens 100 års fødselsdag.  Professor Eva Bjørn Vedel Jensen, Institut for Matematiske Fag, Aarhus Universitet, fik årslegatet for hendes banebrydende forskning inden for udvikling af avancerede matematiske og statistiske metoder til at få et præcist tredimensionelt billede af et objekt, for eksempel i hjernen, ud fra et- eller todimensionale observationer. Professor Jan Oskar Jeppesen, Institut for Fysik og Kemi, Syddansk Universitet, fik årslegatet for hans innovative og originale forskning inden for organisk kemi, hvor han fremstiller store og komplekse organiske molekyler med helt specielle funktionelle egenskaber.