马大为课题组研究方向在于具有重要生理活性的复杂天然产物全合成、有机合成方法学、化学生物学等，主要研究工作如下：

1. 具有重要生物活性的多个天然产物的全合成，包括生物碱(Martinellic acid, Lepadin family, communesines, akuammilines, GB family, gracilamine等)、环肽及环肽大环内酯类（Microsclerodermin E, Halipeptin A, Papuamide B, Salinamide A等），萜类衍生物（Englerin A, Leucosceptroids）。

2. 有机合成方法学方面：1) 首次发现了氨基酸作为配体，以及酰胺基作为邻位取代基团对于Ullmann反应的加速效应。利用这些效应发展了一系列利用芳基卤代物进行C-N, C-O, C-S, C-C键形成的温和交叉偶联反应。在此基础上他发展了一系列杂环合成的新方法，以及一些复杂天然产物的更有效的合成途径；2）发展了一些新的有机小分子催化的醛与缺电子烯烃的不对称Michael加成反应，在此基础上发展了多个药物分子包括抑郁症药物帕罗西汀、抗流感药物达菲、扎那米韦、拉那米韦等的高效合成路线。3）发展了吲哚去芳构化氧化偶联形成季碳中心的方法并用于多个天然产物的全合成。

3. 化学生物学方面： 针对特殊靶点如G-蛋白偶连受体，蛋白激酶，蛋白水解酶和细胞凋亡过程的小分子调节剂的发现，发展了许多小分子调节剂如代谢型谷氨酸受体调节剂、趋化因子受体调节剂、细胞坏死性凋亡抑制剂等，其中一个趋化因子受体拮抗剂已作为抗爱滋病药物完成了I期临床实验。