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.

Galaxias

* Búsqueda de CO en galaxias con altos corrimientos al rojo;

* Estudio de abundancia molecular;

* Estudio de la variación de las constantes fundamentales mediante la observación de lentes gravitacionales;

* Estudio a altos corrimientos al rojo, de regiones con elevadísima tasa de formación estelar;

* Estudio de proto-cúmulos de galaxias;

* Estudio de agujeros negros de gran masa, particularmente a través de participación en el EHT.

Chorros astrofísicos y emisión máser

* Estudio de chorros astrofísicos en general;

* Estudio de fenómenos láser en líneas de recombinación emitidas en la banda de radio por el átomo de hidrógeno;

* Estudio de la emisión máser en regiones de formación estelar;

* Estudio de la emisión máser en envolturas estelares de estrellas tardías.

Altas energías

* Search for counterparts of gamma-ray sources detected with the future array of Cherenkov telescopes (CTA - Cherenkov Telescope Array).

Medio interestelar galáctico e intergaláctico 

* Estudio de radiación de continuo del polvo extragaláctico;

* Estudio del material molecular en la dirección de distintos objetos estelares;

* Estudio del medio intergaláctico mediante la detección de líneas de absorción moleculares en la dirección de cuasares;

* Estudio del fondo cósmico de radiación.

Objetos estelares

* Estudio de regiones de formación estelar, de núcleos pre-estelares, de objetos estelares jóvenes, y de los mecanismos de formación estelar;

* Estudio de procesos no-térmicos en magnetósferas estelares;

* Estudio de la interacción de estrellas y de remanentes de supernova con su medio interestelar.

Planetas

* Estudio de planetas extrasolares cercanos al Sol;

* Estudio de discos proto-planetarios.

Estudios del Sol

* Estructura de la atmósfera Solar baja;

* Filamentos activos y quiescentes;

* Fulguraciones solares;

* Estudio de la dinámica de la cromosfera y de su campo magnético.