研究院设立旱作节水技术与装备研究所、灌溉节水技术与装备研究所、智慧节水技术与装备研究所、农业水资源管理技术研究所，分别对应四个研究方向。
旱作节水技术与装备研究方向
围绕旱地作物抗旱节水生理机制、旱作农田土壤扩蓄增容途径、旱地农业生态系统稳态调控、旱区高效农作制度与作物栽培技术、旱作节水机具等方面开展研究，构建“理论突破—技术创新—装备研发-模式推广”全链条创新体系，推动传统农业向节水型农业转型升级，支撑旱区农业高质量绿色发展。
灌溉节水技术与装备研究方向
围绕作物需水规律与调控、灌溉水力学理论、节水灌溉新材料新技术、绿色低能耗节水灌溉装备等方面开展研究，揭示作物需水阈值与水分胁迫响应机制，实现灌溉水量与作物生理需求的精准匹配；探究喷微灌系统水流运动规律，开展灌溉系统能耗优化调控和灌溉质量评价方法研究；研制耐老化、抗生物粘附等灌溉装备新材料；研发清洁能源驱动喷微灌新技术，创制绿色低能耗节水灌溉装备，实现作物高效用水。
智慧节水技术与装备研究方向
围绕农业水信息感知、诊断、决策与灌溉控制等方面开展研究，集成现代地学空间技术、农业遥感技术、传感器技术、物联网技术及大数据分析技术等，重点突破农业用水全系统、全过程的自动化数据采集、数字化系统设计、智能化作业控制、一体化信息管理和可视化场景表达技术，构建 “空天地一体化” 智慧节水技术与应用体系，研发智能高效灌溉装备和智慧节水云平台管理系统。
农业水资源管理技术研究方向
围绕区域农业水资源优化配置、坡面降雨径流调控、区域农业水足迹控制与虚拟水贸易等方面开展系统性研究，聚焦区域水碳循环过程与调控、水-能-粮-生纽带关系协同优化及实体水-虚拟水耦合优化路径等研究热点，为解决农业水资源管理中的关键科学问题与技术瓶颈提供理论支撑和解决方案。