Daarnaast is hij werkzaam als directeur van het Darwin Center, een centrum voor biogeoscience. Hij heeft een brede wetenschappelijke interesse: van geochemie tot ecologie, van veldwerk tot het opstellen van wiskundige modellen. Zijn onderzoek richt zich op de kringlopen van de elementen in de oceanen en rivieren, en in het bijzonder kijkt hij naar de organismen die daarbij betrokken zijn. Zijn werk werd bekroond met meerdere prijzen, in 2008 trad hij toe tot de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen.

Jack Middelburg promoveerde aan de Universiteit Utrecht in de geochemie en de oceanografie.