زمینههای پژوهشی دکتر مصطفی میرجلیلی در حوزه مهندسی و علم مواد، و به طور خاص شیمی و الکتروشیمی مواد است. ایشان همچنین به عنوان دبیر گرایش خوردگی و حفاظت از مواد در گروه مهندسی و علم مواد دانشگاه فردوسی مشهد فعالیت دارند. گروه پژوهشی ایشان در همکاری نزدیک با سایر محققین این حوزه، در زمینه خوردگی و اکسیداسیون مواد، پوششدهی و حفاظت از مواد، آبکاری و رسوبنشانی الکتریکی، سنتز مواد مورد استفاده در ذخیرهسازی و تبدیل انرژی از قبیل الکتروکاتالیستهای به کار رفته در انواع باتریها، پیلهای سوختی، ابرخازنها، الکترولایزرها و ...، فرایند شکافت الکتروشیمیایی آب، جذب و احیای الکتروشیمیایی CO2، سنتز مواد الکتروکرومیک، سنسورهای الکتروشیمیایی و بایوسنسورها، و سنتز و فراوری شیمیایی مواد به خصوص مواد پیشرفته فعال است.