Научная деятельность посвящена изучению молекулярной организации хромосом и молекулярных основ экспрессии генов. 

Основное направление научных исследований – молекулярно-генетическая организация политенных хромосом. 

Выдвинуто и экспериментально обосновано представление о динамичной хромомерной организации хромосом, впервые показана полигенность индивидуального хромомера и функциональная независимость составляющих его генов. 

Охарактеризован ген фактора транскрипции, отвечающий за гормональную индукцию генов. 

Получены доказательства транскрипционной активности межхромомеров и проведено их клонирование. 

Сформулировано представление о районах интеркалярного гетерохроматина как системе глубоко репрессированных участков генома. 

Работы в течение последних лет связаны с исследованием геномов эукариот. Общее число научных работ – 319, в т. ч. 6 монографий (из них три изданы в США), и 4 издания учебника по генетике.

Принимает участие в подготовке научных кадров, под его руководством подготовлено 20 кандидатов наук и защищены около 60 дипломных работ.

Руководимый им отдел – один из сильнейших в России. Отделом получены десятки международных, федеральных и региональных грантов, в т. ч. РФФИ, «Ведущие научные школы», ведётся работа по программам «Молекулярная и клеточная биология», «Приоритетные направления генетики», INTAS, ЕМВО, «Геном малярийного комара» (США-Германия), дозовой компенсации активности генов (National Institute of Health, США).

Действительный член Европейской академии наук (1995), академик Российской Академии естественных наук (1999), звание Соросовского профессора в 1994, 1998 и 2001 гг.

Член Научных Советов РАН по молекулярной биологии, по клеточной биологии, Объединенного Совета по биологическим наукам СО РАН, Совета по генетике и селекции РАН (2007), председатель Новосибирского отделения Вавиловского общества генетиков и селекционеров (ВОГиС) и семинара ВОГиС в Новосибирске. 

Член редколлегий российских – «Генетика», «Цитология», «Информационный вестник ВОГиС» и международных журналов – Journal of Biological Research (Салоники, Греция), BioEssays (Кембридж, Англия).

Основные научные труды

•‎ Zhimulev I.F. (1996). Morphology and structure of polytene chromosomes. Advances in Genetics 34, Academic Press, New York, 1-497.
•‎ Zhimulev I.F. (1998). Polytene chromosomes, heterochromatin and position effect variegation. Advances in Genetics 37, Academic Press, New York, 1-566.
•‎ Zhimulev I.F. (1999). Genetic organization of polytene chromosomes. Advances in Genetics 39, Academic Press, New York, 1-599
Жимулев И.Ф. (2007). Общая и молекулярная генетика: 4-ое изд. Уч. пособие. Новосибирск. Сиб. унив. изд-во, 479 с.
•‎ Holt R. A., G. M. Subramanian, A. Halpern, E. Kokoza, I. Zhimulev, F. C. Kafatos. (2002). The genome sequence of the malaria mosquito Anopheles gambiae. Science 298: 129-149.
•‎ Belyakin S.N., Christophides G.K., Alekseyenko A.A., Nanayev R.A., Boldyreva L.V., Belyaeva E.S., Makunin I.V., Heidelberg Fly Array Consortium, Kafatos F.C. and Zhimulev I.F. (2005). Genomic analysis of Drosophila chromosome underreplication reveals a link between replication control and transcriptional territories. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102: 8269-8274.
•‎ OV Demakova, GV Pokholkova, TD Kolesnikova, SA Demakov, EN Andreyeva, ES Belyaeva, IF Zhimulev. The SU(VAR)3-9/HP1 complex differentially regulates the compaction state and degree of underreplication of X chromosome pericentric heterochromatin in Drosophila melanogaster. Genetics. 2007, 175: 609-620.
•‎ EN Andreyeva, TD Kolesnikova, OV Demakova, M Mendez-Lago, GV Pokholkova, ES Belyaeva, F Rossi, N Corradini, P Dimitri, A Villasante, IF Zhimulev. High-resolution analysis of Drosophila heterochromatin organization using SuUR Su(var)3-9 double mutants. PNAS, 2007, 104: 12819-12824.

Премии и награды

•‎ Гос. премия РФ (2002 г. 
•‎ Премия АН им. Н. К. Кольцова 2000 г.
•‎ Награждён Медалью Ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени, 2008 г.