Glavno naučno interesovanje dr Marije Mihailović jeste razumevanje na koji način poremećaji u sintezi proteina (prevođenju mRNK) doprinose nastanku ljudskih bolesti, pre svega neuropsihijatrijskih poremećaja, sa ciljem otkrivanja novih metoda prevencije, stratifikacije pacijenata i tretmana. Tokom doktorskih studija (bolnica San Rafaele u Milanu i EMBL u Hajdelbergu), kao i prve postdoktorske obuke (Centar za regulatornu genomiku – CRG, Barselona), stekla je bogato iskustvo u oblasti regulacije translacije. Nakon toga prelazi u oblast proteomike (Evropski institut za onkologiju – IEO, Milano), a zatim se priključuje grupi za modelovanje bolesti i neurogenomiku (IEO i Human Technopole, Milano). U oba istraživačka okruženja njeno interesovanje i stručnost u oblasti regulacije translacije usmerili su je na proučavanje uloge poremećene sinteze proteina i RNA biologije u razvoju bolesti.

U septembru 2023. godine, Marija se pridružila IMGGI i Grupi za interakcije probiotika i mikrobiote sa domaćinom. Njeno trenutno istraživanje fokusirano je na to kako mikrobiota utiče na ekspresiju gena na nivou RNK, od iskrajanja do regulacije translacije, kod poremećaja iz autističnog spektra (ASD). Takođe, ima za cilj da razvije platformu za testiranje lekova zasnovanih na metabolitima koji zavise od mikrobiote, sa fokusom na oboljenja mozga.