Le doctorat, formation par la recherche, est proposé aux diplômés de master ou équivalent. Sa durée est en règle générale de trois ans et correspond à un diplôme bac+8, le plus haut niveau de diplomation universitaire. Le doctorat se déroule au sein d'une unité de recherche (ou laboratoire) qui est le lieu de travail au quotidien du doctorant. Le laboratoire fait partie d'une école doctorale (ED), responsable du bon déroulement du projet doctoral.

Le doctorat peut également être effectué en cotutelle, entre un laboratoire français et un laboratoire d'une université étrangère.