Considerando que para observar na faixa de trabalho do LLAMA existe a necessidade de instalar os equipamentos em sítios especialmente complexos (em particular, a altitudes muito altas para evitar a influência do vapor d’água nas observações), conhecemos pouco sobre o Universo observável nestas frequências. Assim, espera-se que a comunidade astronômica venha a ter acesso a uma facilidade cujas observações resultarão em trabalhos científicos de alto impacto. As possibilidades de pesquisa em muito serão ampliadas quando o LLAMA puder operar conjuntamente com o ALMA e outros radiotelescópios em observações de interferometria de linha de base muito longa (Very Long Baseline Interferometry, VLBI). Com este arranjo poderão ser obtidas observações com resolução espacial até dez vezes maior do que o ALMA operando sozinho.

As pesquisas que poderão ser desenvolvidas com o LLAMA têm sido discutidas com a comunidade astronômica nacional principalmente através do LLAMA Science Workshop, evento que já teve duas edições, em 2015 e 2017.

Foram selecionadas três principais áreas científicas como condutoras para o desenvolvimento do LLAMA: buracos negros e seus discos de acréscimo, evolução molecular do Universo e sua conexão com a astrobiologia, e a estrutura espiral da Galáxia. No entanto, muitas outras áreas de pesquisa serão beneficiadas pelo uso do primeiro radiotelescópio do LLAMA, tanto em observações de antena única como participando de redes interferométricas.Alguns exemplos são apresentados na lista a seguir.

Galaxies

* Active Galactic Nuclei (AGN);

* Search for CO in galaxies with high redshift; * Molecular abundance;

* Variation of the fundamental constants by the observation of gravitational lensing;

* High redshifts of regions with high rate of star formation;

* Proto-clusters of galaxies;

* Supermassive black holes, particularly through participation in the EHT.

Jatos astrofísicos e emissão maser

* Estudo de jatos astrofísicos em geral; 

* Estudo de fenômenos laser em linhas de recombinação do hidrogênio na banda rádio;

* Estudo da emissão maser em regiões de formação estelar;

* Estudo da emissão maser em envelopes estelares de estrelas velhas. 

Altas energias

* Busca da contrapartida de fontes de raios gama que serão detectadas com o futuro arranjo de telescópios Cherenkov (CTA - Cherenkov Telescope Array).

Meio interestelar galáctico e intergaláctico 

* Estudo da radiação do contínuo da poeira extragaláctica;

* Estudo do material molecular na direção de distintos objetos estelares;

* Estudo do meio intergaláctico por meio da detecção das linhas de absorção moleculares na direção de quasares;

* Estudo do fundo cósmico de radiação.

Objetos estelares

* Estudo de regiões de formação estelar, núcleos proto-estelares, objetos estelares jovens e mecanismos de formação estelar;

* Estudo de processos não-térmicos em magnetosferas estelares;

* Estudo da interação de estrelas e remanescentes de supernovas com o meio interestelar. 

Planetas

* Estudo de planetas extra-solares próximos;

* Estudo de discos proto-planetários.

Estudos do Sol

* Estrutura da baixa atmosfera Solar;

* Filamentos ativos e quiescentes;

* Explosões solares;

* Estudo da dinâmica da cromosfera e seu campo magnético.