Os núcleos temáticos constituem a unidade básica da organização do setor de Pesquisa e Desenvolvimento da Embrapa Agropecuária Oeste, composto atualmente por três núcleos: Agronegócio, Agricultura Familiar e Recursos Naturais e Monitoramento Ambiental.

Cada núcleo temático é constituído por um grupo de pesquisadores e técnicos multidisciplinares com objetivo de elaborar e discutir propostas de projetos de pesquisa, além de discutir questões temáticas de cunho estratégico para cada núcleo. 

Atualmente, as propostas de projetos de pesquisa são, inicialmente, discutidas em cada núcleo e posteriormente submetidas ao Comitê Técnico Interno da Embrapa Agropecuária Oeste. Entre os programas de pesquisa estão os seguintes: Sistema Plantio Direto, Integração Lavoura-Pecuária e Integração Lavoura-Pecuária-Floresta; Piscicultura; Bioenergia; Resíduos agroindustriais; Algodão; Arroz; Milho; Mandioca; Feijão; Ovinocultura; Sistemas Agroflorestais; Sistemas agroecológicos; Pecuária de leite; Soja; Trigo; Levantamentos de Recursos Naturais; e Monitoramento ambiental: Água e Solo.