החטיבה למדעי הטבע של האקדמיה מקבצת בתוכה מטובי המדענים בישראל בתחומי מדעי הטבע השונים: ביולוגיה, הנדסה, כימיה, מתמטיקה, פיזיקה ורפואה. יושב ראש החטיבה הוא פרופ' ידין דודאי. בשנת תשפ"ד (2023–2024) החטיבה מונה 76 חברים. בכל שנה מצטרפים חברים חדשים, הנבחרים בבחירות על פי חוק האקדמיה.
החטיבה פועלת מתוקף תפקידה של האקדמיה לפעול לקידום המחקר הבסיסי בישראל ועושה אפוא לקידום תחומים שונים במדעי הטבע ברמה הלאומית, אם ביוזמתה שלה ואם ביוזמת מדענים הפונים אליה. פעילותה של החטיבה באה לידי ביטוי בין היתר בהקמת ועדות מייעצות לאקדמיה בתחומים שונים, כמו קרינת סינכרוטרון, חקר הסובב, פיזיקה גרעינית, פאונה ופלורה ולאחרונה גם ביואתיקה, וכן בהקמת ועדות מומחים מקומיות ובין-לאומיות לבחון נושאים מסוימים ואת הפעילות בהם בארץ, ולהמליץ אם לתמוך בקידומם ובאילו אמצעים. בדרך זו פעלה החטיבה להצטרפות ישראל למתקן האירופי לקרינת סינכרוטרון ESRF בגרנובל וכן להמשך התמיכה בפעילות המדענים הישראלים ב-ESRF באמצעות חידוש ההסכם עם המתקן האירופי לחמש שנים נוספות.
במרכז לחקר הגרעין CERN פעלה האקדמיה לשדרוג מעמדה של ישראל עד למעמד של חברה בו. לשם כך זימנה האקדמיה ועדת מומחים בין-לאומית, בראשותו של פרופ' סרג'יו ברטולוצ'י, לבחינת הפעילות הישראלית ב-CERNי(29 באפריל – 1 במאי 2012). הוועדה הגישה לאקדמיה דוח מדעי והמלצות על המשך תמיכת הות"ת בפעילות אנשי המדע הישראלים המשתמשים באנרגיות גבוהות ב-CERN לחמש שנים החל משנת 2013. את פעילות הוועדה ליווה פרופ' אליעזר רבינוביץ, יו"ר הוועדה הלאומית לפיזיקה של אנרגיות גבוהות. בהמלצת האקדמיה הוצגו הדוח והמלצות הוועדה לפני הות"ת, וזו אישרה את המשך התמיכה בפעילות האמורה. ב-15 בינואר 2014 הונף דגל ישראל בטקס צירופו אל 20 דגלי המדינות החברות האחרות ב-CERN.
החטיבה מקיימת כינוסים מדעיים ומזמינה מרצים מהמעלה הראשונה לשאת בהם דברים, למשל
ההרצאה השנתית היוקרתית על שם אלברט איינשטיין. כמו כן החטיבה תומכת בכינוסים חיצוניים שונים הנערכים במעורבותה ובשיתופה. לביצוע פעולותיה השונות נעזרת החטיבה בחבריה. למשל, מונה מקרבה מדען לשמש יו"ר הוועדה לבדיקת מצב הקניין הרוחני ורישום הפטנטים בישראל.
דוחות על תחומי מחקר שנבחנו והתפרסמו בעבר: אסטרונומיה, אימונולוגיה, חקר העצב, אנרגיות גבוהות, חקר גנום האדם וחקר הסובב.