Les activités de recherche couvrent de nombreux domaines de la physique et de ses interfaces. Elles se réalisent dans les laboratoires de la faculté ou sur de grands instruments (sources de lumière synchrotron et neutrons, installation lasers et XFEL, etc.), installés en France et dans le monde entier. Elles s’inscrivent dans les domaines suivants : 

• Mécanique statistique et quantique, information quantique, notamment la mécanique statistique théorique, des systèmes classiques ou quantiques, à l’équilibre ou hors d’équilibre, avec de nombreuses applications en mathématiques, informatique, en science des données, en sciences cognitives et biologie.
   
• En astrophysique et astroparticules, les activités incluent l’étude de l’univers lointain et de ses origines. Les laboratoires s’appuient sur des techniques expérimentales pour la détection de particules de haute énergie ou d’ondes gravitationnelles ; ils contribuent au développement de techniques pour le traitement de données, d’astrométrie et de métrologie du plus haut niveau et possèdent une expertise en astrophysique de laboratoire pour l’interprétation des observations astrophysiques. La faculté joue un rôle phare dans l'étude des plasmas naturels ou de laboratoire qui sont étudiés de la plus petite à la plus grande échelle et qui font l’objet d’applications dans des domaines variés allant du médical à l’énergie.
   
• Physique des particules élémentaires et des interactions fondamentales. Les équipes de recherche étudient les composantes ultimes de la matière et les subtiles asymétries entre matière et antimatière. Sur le plan expérimental, elles ont acquis des compétences de premier plan dans les domaines des capteurs silicium, des CCD, de la photométrie, l’analyse des Big Data et les applications de l’IA. Sur le plan théorique, elles étudient les interactions entre les constituants élémentaires de la matière, explorent les nouvelles directions vers la résolution de plusieurs problèmes majeurs dans notre compréhension de l’infiniment petit et attaquent la question ouverte de réconcilier la mécanique quantique avec la gravité.

• Physique atomique, moléculaire, optique et plasmas. Les équipes de recherche s’intéressent aux questions fondamentales de l'interaction lumière-matière, aux états quantiques de la lumière, à la spectroscopie de précision et ont apporté des contributions notables à l’optique quantique, l’information quantique et l’optomécanique. Les progrès dans le refroidissement et le piégeage d’atomes neutres ont permis une ouverture vers des problèmes fondamentaux en matière condensée. La faculté a une forte tradition dans l’instrumentation et télédétection des molécules dans l'Univers et dans l’étude de la dynamique des milieux interstellaires et plasma stellaires et de la turbulence magnétohydrodynamique.

• Physique de la matière condensée et des matériaux. Les équipes regroupent une vaste compétence expérimentale et théorique dans l’étude des états cristallins et désordonnés à toutes les échelles spatiales et temporelles. Cela permet de dévoiler et de piloter les propriétés macroscopiques et quantiques au cœur de la recherche fondamentale, avec des ouvertures vers les applications. À signaler : l’expertise dans la fabrication de matériaux massifs ou sous forme de couches minces et nanostructures à l’aide de plusieurs techniques et dans leur caractérisation incluant une gamme complète de techniques de spectroscopie et microscopie, les sondes locales, les mesures à basse température et sous conditions extrêmes et les source d’ions rapides. La faculté a développé une forte tradition dans l’utilisation et le développement de codes de calcul numérique pour la prédiction et la simulation des propriétés de la matière.

• Mécanique des fluides, matière molle, biophysique, climatologie. Les équipes de recherche étudient les fluides à toutes les échelles allant de la molécule aux galaxies, la mécanique des solides, les milieux granulaires et les instabilités des systèmes dynamiques. Au niveau de l’interface physique/biologie et physique/médecine, elles étudient les systèmes biologiques, du niveau moléculaire aux systèmes intégrés, dans des conditions contrôlées pour réduire et maîtriser la complexité du vivant, ou dans des conditions naturelles.