張彌曼從事比較形態學、古魚類學、中-新生代地層、古地理學、古生態學及生物進化論研究。對泥盆紀總鰭魚類、肺魚和陸生脊椎動物間關系研究的結果，對傳統看法提出了疑問，受到國際同行的重視。
在中新生代含油地層魚化石研究中，探明了這壹地質時期東亞魚類區系演替規律，為探討東亞真骨魚類起源、演化和動物地理學提供了化石證據，提出對中國東部油田地層時代及沈積環境的看法，在學術上和實際應用上都有壹定的價值。
20世紀70年代中期，張彌曼調查、采集和研究了東北白堊紀中期（距今約壹億年）及渤海沿岸地區新生代始新世（距今約五千萬年）以來的含油地層中的魚類化石，對含油地層的時代和環境提出了與當時通行的觀點不同的意見，後來被石油地質專家們采用，為祖國的石油勘探和開發做出了貢獻。
20世紀80年代初，正在瑞典國家自然歷史博物館進修的張彌曼，通過復雜、嚴謹的化石還原技術，研究了雲南曲靖楊氏魚、奇異魚的結構，大膽指出：它們沒有內鼻孔，是壹種原始的肺魚。這壹觀點挑戰了當時的權威學說。
她的發現讓世界古生物界為之震動，對四足動物起源新壹輪的探索由此開啟。隨著中國雲南曲靖陸續發現震動古生物界的泥盆紀、誌留紀魚化石，張彌曼的觀點逐漸獲得學界認同。
張彌曼對人才的培養
1983年-1990年間，張彌曼連續擔任了兩屆中國科學院古脊椎動物與古人類研究所的所長，她在任所長期間，積極改善研究人員的生活和工作條件，她歷來誨人不倦、提攜後進，總是把培養人才放在第壹位。
張彌曼指導的博士生朱敏擔任過中國科學院古脊椎動物與古人類研究所第七、八任所長（1999年-2007年）。2006年被評為中國科學院研究生院優秀教師。
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