物理学は自然界に起こる現象のしくみやその奥に存在する法則を実験や観測から得られる事実を頼りに探求するとともに，それらの知見を自然界を超えてより広い世界の多様性の理解や，幅広い用途に応用する学問で，現代科学・技術の発展をその基礎の部分で支えています。物理学分野では，小は素粒子，大は宇宙全体まで様々なスケールの現象を，基礎的な面から応用的な面に至るまで幅広い範囲の研究をしており，他の研究機関の研究者との共同研究も盛んです。具体的には，ミクロやマクロのスケールの物理法則からいろいろな物質の性質や現象の理解を目指す理論物理，実験によって種々の物質の性質や現象を調べ，その知見や技術の応用を研究する物性実験，天体観測や数値シミュレーションを使って宇宙で起こる現象や天体を調べる宇宙物理，の分野の研究を行っています。

地球科学分野は，主に，地質古生物学・岩石鉱物学・固体地球物理学・海洋学・地球環境学の諸分野の基礎と最先端を学修・研究する体制を擁しています。具体的には，化石および現生生物の硬組織に関する比較記載研究・生層序学的研究・機能形態および理論形態学的研究，堆積岩類を中心とした野外地質学的研究，岩石・鉱物の記載研究および実験的研究，地球や他の惑星の内部における超高圧下での実験的および理論的研究，海洋物理学的研究，古海洋学的研究，海洋環境学的研究，過去や現在の人類活動による地球環境へのインパクトを含めた環境学的研究などをおこなっています。主体的に研究を実施できるレベルの課題探究能力と問題解決能力を涵養するために，専門分野の講義とセミナー，室内実験と野外調査実習，および高度なプレゼンテーション演習を通して，高い専門知識と技能を修得します。

化学分野は，物質創生，化学分析，反応・物性制御，遺伝子・生体物質利用など物質科学の基礎から最先端までの領域をカバーする教育・研究体制を擁しています。固体物性化学・反応物理化学系では，固体物質の巨視的性質（触媒作用，電気・磁気特性など）の分子論的な機構解明，構造解析，新材料の創生に関する研究や，高度分光技術を駆使した化学反応の素過程，半導体表面構造・物性解明に関する研究などを行っています。有機合成・物質創成化学系では，分子性高機能物質の創製と構造解析，生理活性物質の探索・合成などの研究を行っています。分析化学・生物化学分野では，タンパク質などのバイオ分析法の開拓，新機能性生体分子・人工生命システム創製への挑戦，遺伝子組換体を用いた光合成の高効率エネルギー変換の分子機構解明，内分泌撹乱物質などヒトや野生生物の健康に悪影響を及ぼす化学物質の環境汚染の現状と推移，分布・挙動・ゆくえ，生物蓄積の特徴と曝露リスク等の地域的・地球的視点での究明などを行っています。

生物学分野の研究は形態形成，生理・適応，生態・環境の３つの領域からなり，微生物および植物や動物に関して分子から生態系に至るさまざまな生命現象を対象に研究を行なっています。形態形成領域では，動物発生学，進化形態学，植物形態学などのテーマで動植物の形態形成に関わる現象を生化学，分子生物学，組織学，形態学的手法などを用いて研究を行なっています。生理・適応領域では，植物生理学，魚類環境生理学，水族毒性学などのテーマで動植物の環境応答について生理学，生化学，分子生物学的手法などにより研究しています。生態・環境領域では，生態・進化学，環境毒性学などのテーマで生物と環境との関係や進化における生物種間の関連，環境汚染物質による毒性影響やその分子機構などの解明のために，生態学的野外調査，分子生物学，生化学的手法，バイオインフォマティクスなどを用いて研究を行なっています。これらの研究により生物の機能と進化，および生物と地球環境の相互関係を総合的に理解することを目指しています。