Наукова діяльність доктора геологічних наук С.О. Мачуліної направлена на вивчення геології нафтогазоносних регіонів України з метою визначення нових напрямків і методів геологорозвідувальних робіт для пошуку родовищ нафти, газу, бітумів, зокрема: визначення палеоструктурних умов міграції і акумуляції вуглеводнів, хіміко-бітумінологічних особливостей і генераційного потенціалу нафтоматеринських товщ, прогнозу неантиклінальних теригенних і карбонатних пасток вуглеводнів в палеозойських відкладах Дніпровсько-Донецької западини (ДДз), Переддобруджинського прогину та інших регіонів України. Одним з пріоритетних напрямків сучасних досліджень С.О. Мачуліної є вивчення етапів утворення вуглецевих (чорносланцевих, доманікоїдних) формацій в геологічних структурах України та суміжних територіях у взаємозв’язку з історико-геологічним розвитком Землі. Розв’язуючи ці проблеми С.О. Мачуліна обгрунтувала концепцію про безперервно-переривчасте формування у часі і просторі збагачених органікою чорносланцевих відкладів, що мають особливий зв'язок з тектоно-геодинамічними процесами в земній корі. Складаючись із потенціалом інших нафтогазоматеринських світ чорно сланцеві відклади вносять значний вклад в вуглеводневий потенціал нафтогазоносних комплексів. Вперше для території України визначена планетарна закономірність – зміщення в часі басейнів з чорносланцевою седиментацією з древніх платформ на периферії континентів і в “молоді” морські басейни і океани; теоретично обгрунтована приуроченість басейнів з чорносланцевою седиментацією до зон довгоіснуючих планетарних і регіональних розломів, що сприяє їх катагенетичному перетворенню і придбанню нафтогенераційних властивостей. Багаторічні польові дослідження в південній частині Складчастого Донбасу дозволили дослідити підвугільну палеозойську ефузивно-теригенно-карбонатну формацію, що вміщує чорні сланці і визначити характер впливу на них накладених магма-гідротермальних процесів. Знайдено і досліджено прояви антраксолітів і древніх сульфідних утворень типу “чорних курців”, що сприяло розвитку уявлень що до масштабів глибинних процесів і перспектив рудо- і нафтогазоутворення в південній частині Донбасу. Наукова значимість цих досліджень – визначення основних факторів геодинамічного впливу (тектоніка, вулканізм, флюїдодинаміка) на формування і розповсюдження чорносланцевих формацій; практична значимість – прогноз і оцінка покладів енергетичних корисних копалин в регіонах України. На даний час С.О. Мачуліна – відповідальний виконавець бюджетної теми “Еволюція вугленосних та вуглеводневовміщуючих формацій України” (2019 – 2023 рр.). Її дослідженнями визначені головні фактори, що контролюють збагачення органічною речовиною осадків, які формують високовуглецеві відклади типу чорних сланців. Визначені глобальні фактори формування чорно сланцевих і доманікоїдних відкладів в басейнах седиментації (тектонічний, структурний, кліматичний, еволюції органічного світу).