图片来源于 RIKEN Research
日本的科技研发和产业创新的主要力量是日本的国立科研机构，基础科学研究以大学为主。日本政府对国立科研机构的管理是依据相应的法律和政府规章，特点是法规先行。政府在成立某一国立研究机构时，均相应地制定一项具体的法规，如《航空宇宙技术研究所组织规则》《理化学研究所法》《理化学研究所法施行令》《理化学研究所法施行规则》等。国立研究所的体制使得日本在多个领域引领全球技术发展。
2001年3月30日，日本政府内阁批准了第二个《科学技术基本计划》，其中提出了一条明确的目标，期望在21世纪前50年里获得30个诺贝尔奖，达到欧美先进国家的水平。50年的期限刚过三分之一，30个诺贝尔奖的目标已完成过半，可见，日本对于科研的大力投入，以及其科研实力均不容小觑。日本国立研究所和大学是日本科学研究的主要力量，在各领域科技发展的过程中发挥着至关重要的作用。
随着经济全球化的竞争不断加剧，日本政府和科技界认识到传统的科研管理方式日益受到挑战，僵化的管理体制越来越难以适应高新技术发展变化的趋势。因此，日本政府自2010年推出第四个《科学技术基本计划》，开始推动国立科研机构的改革，并通过一系列的立法、政令和倡议。2015年，随着《独立行政法人通则法》修正案的正式实施，国立研究所新型研究开发法人制度正式建立并运行。仅举几例如下：
日本理化学研究所（RIkagaku KENkyusho/ Institute of Physical andChemical Research, RIKEN）是世界著名的科学研究机构，由日本企业之父涩泽荣一（Eiichi Shibusawa）于1917年创立。1913年，涩泽荣一在某次听取著名化学家高峰让吉（TakamineJokichi）的演讲后深受鼓舞，进而在一篇文章中写到：“让一个国家从模仿变得有创造力，纯粹的物理和化学研究是唯一的方法，而这就是为什么我们需要一个理化学研究所。”RIKEN采用卫星实验室的模式，在日本全国各地成立了多个实验室，每个实验室专注于一个研究领域，目前，RIKEN约有3000 名研究人员，研究领域涉及物理、化学、生物学、工学、 医学、生命科学、材料科学等，从基础研究到应用开发十分广泛，每年的预算约62亿人民币，大部分研究经费来自政府。RIKEN培养了许多杰出的科学家，也获得了享誉世界的科研成果。但是，2014年小保方晴子涉嫌捏造数据、篡改图片被《自然》杂志撤稿的学术不端事件，也将RIKEN推到了风口浪尖，时至今日，这一事件依旧在时时给予学术界以警示。除了重视推进国内科研发展以外，RIKEN也重视与海外学术界的沟通与合作。20世纪80年代起，RIKEN先后与中科院、上海交通大学、西安交通大学等学术机构在基础科学、材料科学、生命科学等多个领域展开合作，并取得了丰厚的成果。
日本国立聚变科学研究所（National Institute for Fusion Science, NIFS）正式成立于1989年，一直致力于以聚变为目的的超高温等离子体的研究，以期寻求可持续、清洁的能源来解决当下及未来所面临的能源短缺和化石燃料带来的环境污染等问题。NIFS作为世界著名研究所，拥有着国际首屈一指的科研团队，下设六个研究部门，三大类研究项目包括LHD（large helical device）工程、数值模拟反应堆工程及先进聚变装置工程。NIFS拥有的LHD装置不仅是日本国内最大的聚变实验装置，同时也是国际上正在运行的、开展高参数下聚变物理实验研究的最大的仿星器装置。2017年，NIFS与西安交通大学建立了国际合作关系，共同开展LHD的科学研究工作。
日本国立材料研究所（National Institute for Material Science，NIMS）是日本最大的研究所之一。1956年，其前身国立金属材料技术研究所（National Research Institutefor Metals, NRIM）在日本东京目黑区成立，目前，NIMS主要研究部门已迁至筑波。NIMS主要进行材料的合成、表征和应用的研究，研究对象包括金属、半导体、超导体、陶瓷、有机材料和纳米材料等，应用范围涵盖了电子，光学，涂料，燃料电池，催化剂，生物技术等。与此同时，NIMS还推动了电子显微镜，高能离子束，强磁场等技术的发展。
日本国立环境研究所（The National Institute for EnvironmentStudies, NIES）成立于1974年，在环境科学研究方面处于世界领先水平。NIES拥有地球环境部、区域环境部、社会及环境系统部、环境化学部、环境生物部、大气环境部等多个研究部门，其研究成果为日本解决环境污染和可持续发展做出了重大贡献。
东京大学（The University of Tokyo）作为一所世界顶尖大学，在2016年CWUR（The Center for World University Rankings）世界大学排名中名列世界第13位、日本第1位。东京大学的科研实力在国际上享有很高的声誉，下设2个国际高等研究所、12个尖端研究中心、16个直属科研机构，11个附属研究所建有47个高水平研究中心，研究生院建有30余个附属科研机构。其重点研究领域包括能源开发研究、宇航研究、地震火山研究、海洋研究、癌症研究等。在2014年3月《Nature》发布的年度报告中，东京大学2013年《Nature》杂志高质量论文的贡献指数排名第8；在《ScienceWatch》发布的1999年至2009年十年间论文引用排名中，东京大学位列第11.
京都大学（Kyoto University）建校于1897年，是一所学科齐全、规模宏大的世界级顶尖研究型大学。京都大学秉承基础研究与应用研究并重、文科与理科研究多样性整合发展的理念，主要研究领域包括基础理论研究、核科学研究、医学教育与研究、人文科学研究、农学研究等，共拥有基础物理学研究所、IPS细胞研究所、再生医科学研究所、核反应堆试验所、防灾研究所等14个高水平研究所。特别是以汤川秀树为首任所长发展至今的基础物理研究所，已经成为世界基础物理理论研究的中心之一，汤川秀树也因中子物理研究于1949年获得了日本第一个诺贝尔奖。