Das Forschungsprofil des NS-DOK umfasst die Geschichte des Nationalsozialismus in Köln in ihren regionalen Bezügen sowie in ihrer Vor- und Nachgeschichte. Das Forschungsinteresse gilt der Struktur- und Verwaltungsgeschichte des Nationalsozialismus in Köln ebenso wie Themen der Alltags- und Gesellschaftsgeschichte. Ein dauerhafter Schwerpunkt liegt dabei auf der NS-Verfolgung und den Lebensgeschichten der Opfer und Überlebenden.
Mit der Erstellung eines Gedenkbuchs zu den jüdischen Opfern des Nationalsozialismus aus Köln wurde Mitte der 1980er Jahre begonnen. 1995 wurden das Gedenkbuch und eine Datenbank mit den Forschungsergebnissen zugänglich gemacht. Die Forschung wurde unter anderem in folgenden Projekten weitergeführt: Die Verfolgungsgeschichte im Herbst 1941 von Köln in das Ghetto Litzmannstadt (Łódź) deportierten Kölner Jüdinnen und Juden; das Schicksal der am 20. Juli 1942 vom Bahnhof Deutz-Tief nach Minsk deportierten 1.163 Männer, Frauen und Kinder; „Lebensgeschichten von jüdischen Emigranten aus der ehemaligen Sowjetunion in Nordrhein-Westfalen“ (zweisprachiges Videoprojekt).
Seit Mitte der 1980er Jahre sammelt das NS-DOK Berichte und Interviews von überlebenden Zeitzeug*innen. Die in großen Teilen vom NS-DOK geführten Audio- und Videointerviews werden als Teil der dokumentarischen Arbeit fortwährend erschlossen sowie online und in der Dauerausstellung zugänglich gemacht. Ein großer Teil steht externen Forscher*innen zur Auswertung zur Verfügung.
Das NS-DOK hat zwischen 1989 und 2014 Besuchsprogramme für ehemalige Zwangsarbeiter*innen organisiert und durchgeführt. Dadurch erhielt die Erforschung der Zwangsarbeit in Köln entscheidende Impulse, vor allem durch die Erhebung von Berichten der Überlebenden. Eine Besonderheit stellen hier neben über 500 Interviews auch eine Vielzahl von persönlichen Fotos dar, die bei den Besuchsprogrammen an das Haus übergeben wurden.
Auf dieser Grundlage wird am NS-DOK auch zu weiteren Lagern in Köln und zu dem Einsatz von Zwangsarbeitern in Betrieben geforscht. Ein Aspekt sind auch die Außenlager des Konzentrationslagers Buchenwald, die ihren Standort im Kölner Stadtgebiet hatten. Bei der Forschung werden sowohl offizielle Quellen, als auch persönliche Aspekte der ehemaligen Zwangsarbeiter*innen berücksichtigt.