学术团队分别为放射性核束物理、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
前两个研究方向属于基础研究，后两个研究方向属于应用基础研究。四个方向具有很密切的关联性：放射性核束物理和强子物理是基础前沿方向，利用国内外大科学装置提供实验条件，同时也通过自主的探测器研发和理论研究等，开展特色研究工作；先进粒子加速器和核技术应用方向属于应用基础研究，一方面发展前瞻性的关键技术以支撑未来大科学装置发展，同时直接为能源、国防、交叉学科的发展做出重要贡献。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。
方向一：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。
方向二：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。
方向三：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。
方向四：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。
实验室以课题组为基本研究单元，在4个主要研究方向上共组建了10个课题组：
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
3）强子物理理论
4）强子物理实验
5）射频超导加速器及自由电子激光
6）RFQ加速器技术及中子照相
7）激光等离子体粒子加速技术
8）离子束材料物理及应用
9）中子核数据
10）聚变与核能
