研究内容包括发展基于基本相互作用的核物理第一性原理理论，相对论和非相对论的量子多体模型，与粒子物理交叉的核结构理论，大规模数值计算以及机器学习和量子计算等，研究新对称性、稳定和不稳定原子核结构与衰变、核裂变、原子核的动力学性质、宇宙中的核物理过程、中高能核物理等。

建有较大规模的亚原子粒子探测器实验室，拥有一批先进的探测设备，新建成高精密的激光核谱学实验平台等；研究不稳定原子核奇特结构和物理世界基本对称性，如原子核衰变和奇特结构、激光核谱与原子核基本性质、原子核反应与奇特结构、放射性分子及相关的基本对称性、核探测与交叉学科精密测量技术及其应用、物理过程模拟与机器学习等。

实验高能物理是研究物质世界的最基本结构及其相互作用的主要前沿领域之一，通过积极参与国内外高能物理大科学实验计划，来研究电弱与希格斯物理、超出标准模型的新物理、强子物理、味物理与CP破坏、中微子与暗物质探测、相对论重离子碰撞等物理，以及粒子探测与数据获取、低本底测量、物理模拟与数据分析、机器学习与量子计算等技术；也包括基于量子精密测量技术的前沿基础物理研究，涉及量子比特、动态电感等超导量子低温器件及原子磁力计、悬浮磁力计等自旋量子器件。

应用核物理方向主要依托北京大学核技术应用实验室，从事基于加速器开展的离子束与物质的相互作用研究和核能新材料设计与开发，具体包括材料与器件辐照损伤、离子注入与离子束材料改性、核技术及应用、核能材料、先进能源材料、核辐射防护及辐射环境监测、辐射剂量与安全评价等。实验室的从核能材料制备到评估的整个实验系统以及针对新型清洁能源利用载能离子束改性材料的策略和技术，对满足国家能源材料的重大需求方面，发挥了重要的作用。