实验室建立在粒子物理与核物理、核技术及应用、理论物理等二级学科基础之上，有比较宽的学科面，这是基于高校的环境、队伍基础和培养学生的需要，同时也有利于学科交叉，有利于实现原始创新。经实验室学术委员会审议，实验室确定了放射性核束物理、强子物理、先进粒子加速器技术和核技术应用四个主要研究方向。这四个方向均是核物理与核技术的主流方向，也是依托单位经过长期建设形成的优势学科方向。
1. 放射性核束物理
建立了两个研究团队：（1）放射性核束物理实验及粒子探测；（2）放射性核束物理理论。
主要研究内容和目标：（1）大力发展特色探测装置，包括升级β延迟中子衰变装置，建立前向多中子关联谱仪、位置灵敏带电粒子望远镜阵列、新型数据获取系统等。（2）利用国内外大科学装置开展不稳定核的衰变和直接核反应研究，实验与理论的结合力争取得重要突破。（3）理论方面，在原子核的奇特结构与对称性、有效相互作用、核天体物理等方面进行深入研究，逐步形成自主的并得到国际公认的理论模型和程序系统。目标是理论、实验、技术密切结合，成为有重要国际影响的研究团队。
总体进展情况：研发了多种类型的探测器装置，并在探索中发现、提出和成功使用了独特的零度粒子望远镜测量方法。在国内外大科学装置上自主开展实验研究工作取得了突破性进展，在轻丰中子核奇特结构研究中取得有重要国际影响的成果，正在引领一系列新的实验。持续开展中重质量区核的形变与对称性研究，取得系列重要成果。理论研究在发展具有品牌意义的适用于不稳定核的新模型方面取得了重要进展，并发表了大量优秀论文。
2. 强子物理
建立了两个研究团队：（1）强子物理理论；（2）强子物理实验。
主要研究内容和目标：（1）理论研究以基金委创新群体为基础，关注国际粒子物理前沿热点研究方向，与实验研究团队紧密合作，争取在量子色动力学和强子物理的主要研究方向上有所突破，形成国际著名的研究群体。（2）实验方面发挥理论与实验紧密结合和人才队伍的优势，依托国际国内大科学研究装置，形成国内以北京正负电子对撞机上的BESIII实验为主、国外以LHC-CMS实验为主，兼顾其他合作的格局，在大型实验的数据分析软件建设中做出独特贡献，做出以我为主的高水平物理研究成果。（3）在探测装置方面，发展新技术，争取做出高技术含量的贡献。目标是理论、实验、技术结合成为有重要国际影响的研究团队。
总体进展情况：强子物理理论继续保持传统优势，发表大批高影响力论文。特别在粲夸克偶素和新强子态物理的研究中处于国际国内引领位置；过去五年提出了新的思路和处理方法，解决了强子对撞机上粲偶素产生截面和极化的重大疑难问题，预言和系统研究了类分子结构新强子态等得到实验验证和国际上高度评价。在顶夸克等研究中发展了次次领头阶精确计算方法，在指导实验中发挥了重要作用。实验团队力量得到显著加强，在LHC-CMS和BEPC-BES的数据分析中取得系列重要成果，进入到国际高能物理实验研究的前列。新的微结构探测技术正在发展。
3. 先进粒子加速器技术
建立了三个研究团队：（1）射频超导加速技术；（2）RFQ与中子照相；（3）激光等离子体粒子加速技术。
主要研究内容和目标：（1）完善DC-SRF超导光阴极电子枪技术，使其成为一种实用的高亮度、低发射度注入器；建成包含一到两只9－cell腔的超导加速器组元，实现超导加速器国产化；在大晶粒铌腔和单晶腔等研究方面取得较大进展，使我国的射频超导加速技术进入国际前列，并推动在我国实现射频超导腔的工业化生产。（2）在基于超导电子加速器的适用装置方面：建成THz波实验平台，开展自由电子激光技术和多学科应用研究。（3）在RFQ加速器方面：建成2 MeV强流氘束RFQ加速器；发展分离作用RFQ和常规RFQ一体化结构，拓展RFQ加速器的能量范围。推动RFQ加速器在我国国防工业和大科学装置中的应用。（4）在激光等离子体粒子加速技术方面：组织精干的队伍，发展有自己特色的理论研究和相应的实验技术，争取有所突破，在该领域的激烈国际竞争中取得一席之地。
总体进展情况：在涉及尖端技术的超导加速器和Thz波装置方面全面完成任务，国内首台运行于2 K温度下的超导加速器成功出束，束流通过波蘯器产生了太赫兹波并进行了THz波的若干应用试验研究。实现关键技术突破，成为国际上少数几家掌握超导加速技术的研究组，大大推动了国内超导加速技术的发展和超导腔的国产化进程。建成了2 MeV强流氘束RFQ加速器和143 keV/u高电荷态重离子RFQ 加速器。激光加速方面异军突起，提出并逐步验证了原创性的思想和技术路线，承担并基本完成科技部重大仪器专项，建成了首台超小型激光离子加速器并于2017年成功出束，在国际国内激烈竞争中取得重要地位。
4. 核技术应用
建立了三个研究团队：（1）离子束材料物理及应用；（2）中子核数据；（3）聚变与核能。
主要研究内容和目标：（1）着重研究面向核能系统的材料辐照损伤、载能离子辐射生物物理、离子束辅助纳米结构的制备和应用基础等问题，力争取得交叉领域原始创新成果。（2）在聚变动力学和磁流体大规模模拟计算方面，做出有国际重要影响的成果并为中国聚变堆的设计做出重要贡献；开展面向托克马克聚变堆的先进聚变中子诊断技术研究。（3）在中子核数据和中子照相方面，继续测量国防和能源系统急需的基础核数据；研制出基于RFQ加速器的中子照相设备样机，开展中子成像检测方法、技术与应用研究。
总体进展情况：从零开始全力进入到核能材料研究领域，取得了显著进展。承担了ITER计划、973课题和自然科学基金重点项目等，在MAX相金属陶瓷及特殊纳米结构等材料的辐照损伤机理研究中取得重要成果。利用多年形成的中子探测等方面的基础，完成了液体闪烁体探测系统和先进的飞行时间谱仪建设，在EAST和HL-2A托卡马克上实现了基于中子能谱的芯部等离子体诊断。测量了一大批国防和能源系统急需的基础核数据，发表系列高水平论文；首次利用高能加速器轰击高分子膜形成的潜径迹制备出具有特殊离子选择性的亚纳米孔道，在国际上引起热烈反响；基于径迹纳米孔道实现了吉布斯自由能或机械能转化为电能，能量转换效率等指标国际先进。
