Das PIK untersucht die globalen und regionalen Wechselwirkungen zwischen Mensch, Klima und Umwelt. Mit Hilfe von Modellen werden Vergangenheit und Gegenwart des Systems Erde untersucht, um mögliche zukünftige Muster des Klimawandels vorhersagen zu können. Auf dieser Grundlage erforscht das PIK Strategien für eine zukunftsfähige Entwicklung von Mensch und Natur.

Die Forschung des PIK zeichnet sich ebenso durch die konsequente Zusammenarbeit von Natur- und Sozialwissenschaftlern aus wie durch die Kooperation mit universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt. In Brandenburg besteht eine enge Zusammenarbeit mit der Universität Potsdam und dem 2009 gegründeten Institut für transformative Nachhaltigkeitsforschung (Institute for Advanced Sustainability Studies, IASS). Das PIK wurde 1992 gegründet. Es spielt eine aktive Rolle bei der wissenschaftsbasierten Politikberatung und dem Wissenstransfer in die Öffentlichkeit.

PIK-Wissenschaftler wirken unter anderem im Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), im Wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderung (WBGU), im Internationalen Geosphären-Biosphären-Programm (IGBP), beim Millenium Ecosystem Assesment (MA) und in der European Geoscience Union (EGU) mit. Das PIK leitet den deutschen Verbund der 2009 gegründeten Klima-Initiative des Instituts für Innovation und Technologie (EIT) der Europäischen Union.