马大为致力于有机合成化学和药物化学研究。他发展的促进Ullmann反应的改良配体，广泛应用于新药研发和新材料创制，应用超过1000次，其中包括两个临床实验药物的百公斤级生产，以及抗高血压药物培朵普利中间体的吨级生产，300余项美国专利利用他改进的Ullmann反应设计了合成路线；以有机小分子催化反应为基础发展了抗抑郁药物帕罗西丁、抗流感药物达菲和乐感清的高效合成新路线；创新性地利用分子内氧化偶联构建并环和螺环等合成策略，完成了30余个具有重要生物活性的生物碱、大环肽内酯和萜类复杂天然产物的全合成；基于有机合成化学的优势，通过与生物学家合作，发展的选择性代谢型谷氨酸受体拮抗剂APICA已作为研究该受体的工具药；细胞坏死抑制剂IN-104已经在欧洲进行一期临床实验研究，用于治疗神经退行性疾病；第三代新型EGFR抑制剂ES-072作为治疗肺癌的药物也已获批美国FDA临床研究。
这些系统的创新性研究成果不仅体现了在有机化学基础研究方面的突破，而且展示了对于制药工业和药物发现带来的重要影响，将在促进学科发展和满足健康需求方面发挥积极作用。
马大为研究员在实验室
