Vědeckovýzkumná činnost katedry je orientovaná na různé oblasti matematické fyziky, jaderné a částicové fyziky a fyziky plazmatu a termojaderné fúze. Ve všech uvedených oblastech katedra zabezpečuje odborné vedení doktorandů.
Vědeckovýzkumná činnost katedry je rozvíjená ve spolupráci se zahraničními partnery, vědeckovýzkumnými centry (CERN, BNL, GSI, COMPAS, ITER) a ústavy Akademie věd ČR.
Na katedře působí několik center podporujících vědeckou činnost a výchovu mladých vědeckých pracovníků. Matematická fyzika je rozvíjena ve spolupráci s UJF AV ČR na půdě Dopplerova ústavu (http://doppler.ujf.cas.cz/). Rozvoji a transferu pokročilých technologií z nejmodernějších světových laboratoří slouží centrum kompetence pro pokročilé detektorové systémy (http://labtech.fjfi.cvut.cz/). Začleňování humanitních a společenských věd do výuky energetiky se věnuje projekt Teachener.