Antje Boetius beschäftigt sich derzeit vor allem mit der Erforschung von Tiefseeorganismen unter dem arktischen Eis sowie mit den Auswirkungen der globalen Klimaerwärmung auf polare Ökosysteme. Sie erforscht Mikroorganismen, die Teile des Meeresbodens besiedeln und langfristig großen Einfluss auf das Erdsystem haben.
In der Tiefsee entstehen große Mengen Methan, das entweder in Form von Methanhydraten im Meeresboden gespeichert wird oder als Gas entweicht. Boetius entdeckte mikrobielle Lebensgemeinschaften, die den Großteil dieses Methans abbauen – ohne dafür Sauerstoff zu benötigen. Dieser Prozess hat sowohl für Methanflüsse im Meer als auch für das Klimasystem eine hohe Bedeutung, denn die mikrobiellen Lebensgemeinschaften verhindern, dass große Mengen des Treibhausgases, das 25-mal stärker wirkt als CO2, in die Atmosphäre entweichen. Diesem Prozess der anaeroben Oxidation von Methan, kurz AOM, konnte Boetius erstmals bis dahin unbekannte Mikroorganismen zuordnen. Mit ihrer Forschung trägt sie entscheidend zum Verständnis eines bedeutenden Prozesses im globalen Klimakreislauf bei.
Boetius studierte Biologie an der Universität Hamburg und Biologische Ozeanographie an der University of California in San Diego/USA. 1996 wurde sie an der Universität Bremen promoviert und 2001 zur Professorin für Mikrobiologie an die International University Bremen berufen. Seit 2008 leitet sie die von der Helmholtz-Gemeinschaft und der Max-Planck-Gesellschaft gemeinsam getragene Brückengruppe für Tiefsee-Ökologie und -Technologie am Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven und dem Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Seit 2009 ist sie Professorin für Geomikrobiologie an der Universität Bremen. Von 2017 bis 2025 war sie Direktorin des AWI in Bremerhaven. Seit 2025 ist Boetius Präsidentin und Geschäftsführerin des Monterey Bay Aquarium Research Institute in Moss Landing/USA.
Für ihre wissenschaftliche Arbeit und ihr gesellschaftliches Engagement wurde Boetius bereits zahlreich geehrt, unter anderem mit dem Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) 2009, dem Communicator-Preis der DFG und des Stifterverbandes 2018, dem Deutschen Umweltpreis der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) 2018 und dem Verdienstorden der Bundesrepublik Deutschland 2019. Die Leopoldina verlieh ihr 2022 den Carl-Friedrich-von-Weizsäcker-Preis. Neben der Leopoldina ist Boetius Mitglied in mehreren deutschen und internationalen Akademien.
Der Orden Pour le mérite wurde 1842 von Friedrich Wilhelm IV., König von Preußen, ins Leben gerufen und 1952 von Bundespräsident Theodor Heuss neu begründet. Der Orden steht unter der Schirmherrschaft des Bundespräsidenten. Erster Kanzler der Künstler- und Gelehrtenvereinigung war der Naturforscher und Leopoldina-Mitglied Alexander von Humboldt. Insgesamt zählt der Orden aktuell 73 Mitglieder – darunter 28 Mitglieder der Leopoldina.