凝聚态物理是一个高度多元化的研究领域，不仅涵盖了超导体、磁性材料和半导体等相对传统的研究方向，也包含一些新兴的前沿研究方向，如拓扑物理、界面超导、量子反常霍尔效应，还包含了各种复杂凝聚体系的研究，如新型生物与能源材料。
近年来，凝聚态学科在低维量子物质的制备、表征和新奇量子现象研究方面，形成了整体学科优势，取得了一系列国际领先的原创性研究成果。
计算和理论凝聚态物理从微观原子尺度出发，根据材料的元素构成和原子结构预测其性质、解释内在的物理机制。具体研究内容包括：新型拓扑材料和新奇拓扑量子物态的探索；低维结构中的量子效应；电子关联效应和超导机理；低维材料生长动力学；量子材料的理论设计、模拟及器件原理的研究；半导体材料中的电子态和自旋态；结构和功能材料的电子结构和性能预测；多层次-跨尺度物性关联的物理机制及算法与材料设计；基于大数据方法的材料基因工程研究。
实验凝聚态物理的研究组主要关注材料中电子的集体激发行为与新奇演生物理效应（比如量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导性和低温物理），原子和分子层次的精确测量和可控生长，以及新奇量子材料的物理性质和应用等，高质量材料制备和高分辨物性表征，超导、铁磁、铁电、拓扑等新奇量子效应探测。主要的研究方向包括：低维材料与结构的可控制备方法、生长机理和新奇量子现象研究，拓扑量子物态与拓扑材料，强关联体系与新型超导体研究，高温超导材料及其应用，碳基纳米材料的物理和应用，纳米电子学和光电子学原理和器件探索；分子束外延生长，极低温强磁场扫描隧道显微学，角分辨光电子能谱，功能氧化物磁性薄膜、薄膜复合结构及纳米磁性材料的制备、物性及器件应用；二维范德瓦尔斯材料与异质结构，超导电子学和能源材料研究等。
原子分子与光物理覆盖了原子分子与光物理的基本研究和光与物质相互作用的研究。清华大学物理系的原子分子与光物理由原子分子物理和光学两个二级学科组成，其中光学学科是国内最早的博士点之一（1981年获批），原子分子物理学科于2001年被评为国家重点学科。近年来，随着冷原子、冷分子、激光冷却和离子囚禁等技术的发展，原子分子与光物理面临着空前的发展机遇。
原子分子与光物理研究强调实验与理论紧密结合。目前各研究方向都拥有一批高水平的学术带头人和学术骨干，近两年来研究队伍得到了明显的壮大。主要研究方向包括：原子分子及团簇理论；原子分子高激发态光谱、动力学及相干控制；冷原子物理及原子光学与原子玻色-爱因斯坦凝聚；原子分子离子超灵敏谱学及应用；纳米结构和纳米光学；特异材料及其量子相干控制；全固化激光器物理及应用；物理量的精密测量；实用化量子保密通信和基于原子分子与光子的量子模拟。
粒子物理主要研究物质最深层次的结构、最基本的相互作用和运动规律、时空的性质及宇宙起源等问题。近年来随着欧洲核子中心TeV能量的大型强子对撞机LHC的运行并发现Higgs粒子，粒子物理已经进入发生重大突破的新时代。TeV物理已成为粒子物理前沿最受关注的焦点之一。
物理系的粒子物理曾在上世纪八十年代提出被后人誉为“Chinese Magic”的螺旋度振幅方法。清华博士生首次在Physical Review Letters上发表的论文也出自于粒子物理学科。2000年粒子物理学科在国内牵头加入欧洲核子中心的LHCb国际合作计划，2004 年成立了跨院系的高能物理研究中心，2005年由邝宇平院士牵头建立了TeV物理中国工作组。目前物理系的粒子物理学科把主要目标放在TeV物理理论及现象学研究上，建设了一支由学科带头人-学术骨干-博士研究生组成的学术梯队，在粒子物理理论和粒子物理实验研究方向都做出了有国际影响的工作。具体研究内容包括：电弱对称破缺机制及超出标准模型的新物理的理论和唯象研究，包括Higgs粒子、中微子、暗物质、各种新规范粒子及其可能的相互作用；粒子物理与宇宙学和引力理论的交叉；重夸克偶素的强子跃迁和强衰变的理论研究等；第一原理研究束缚态粒子的有效拉氏量；非微扰理论、强子物理等。
原子核是物质结构的一个微观层次，是典型的量子多体复杂体系。原子核中包含了丰富的内禀自由度与基本相互作用的信息。经过百余年的发展，人们对原子核这一层次的微观世界有了很充分的理解和认知，并且从中提炼了很多重要的理论基础和研究手段，广泛用于生产实践和国家安全等一些重要领域。历经百余年的发展，核物理至今仍是科学发展的最重要的前沿学科之一，涵盖物质的基本结构与属性、新物质形态的寻找与探索、大型实验装置研制和现代核技术及其应用的广泛领域。
物理系的核物理研究涵盖核与核子结构、相对论重离子碰撞与强相互作用体系、核反应等领域，是国内研究原子核物理的主要单位之一，核物理专业也是国家重点学科。自2002年以来，核物理在科学研究、师资队伍、国内国际影响和人才培养等各个方面都有重大的进展，取得了一批重要的学术成果。
理论工作覆盖了从低能的原子核结构到相对论性重离子碰撞大能量范围内的诸多领域：在重离子碰撞的动力学模拟、等时量子输运理论、量子色动力学(QCD)相变理论、QCD凝聚态物质、相对论重离子碰撞中的重味探针等领域做出了重要的原创性成果；利用数学物理来理解量子系统的对称性，探索群和代数（李代数、李超代数、无限维李代数、变形李代数等）的表示论在物理学中的应用，如原子、分子结构和核结构的代数模型；利用Monte Carlo 模拟方法从事探测器、核电子学、量子化学等方面的研究。
在重离子核反应实验和唯象研究领域，研究人员通过中能重离子核反应实验研究揭示了一系列同位旋动力学的新现象，首次预言氘核的同位旋量级化效应，发现重离子核反应中同位旋衣依赖的粒子发射次序，揭示了同位旋漂移过程的长时标特征，成功提取对称能密度依赖参数。广泛深入参与国际合作。组织和推动基于国家大科学工程的探测器模拟和预研。在燃耗测量技术方面取得原创性的成果。在强子物理领域，进行自旋相关相互作用的标准模型之上新物理的探寻并取得重要成果。在核结构领域，系统研究了一系列原子核的高自旋态，观察到核集体运动中的对称性破缺、奇异形变和形状驱动小型等一系列新现象。
天文学是自然科学六大基础学科之一，与物理学、数学、化学、地学、生物学以及工程学等都有密切联系。为推动天文学科的发展，清华大学2001年成立天体物理中心，挂靠物理系，十多年来在物理系、工物系和学校各部门的支持下取得了良好的发展。2019年3月28日学校正式批准成立天文系，清华天文学科的发展进入到一个新的时期。清华大学物理系作为清华天文学科的创始单位未来仍将保留有特色的天文学方向以及与物理学有密切交叉的天文学方向的发展和人才培养, 进一步增强清华大学理科总体实力。
物理系天体方向目前的研究方向包括时域天文学、磁流体天体物理、恒星物理、核天体物理、宇宙学以及引力波天体物理等方向。依托物理系、天文系的教师队伍，建立了较为完备的课程体系和研究生培养方案。物理系培养的天体方向的本科生及研究生有多人成为有国际影响力的年轻学者，获得美国斯隆奖、哈勃学者、爱因斯坦学者等荣誉。
针对国际天体物理的前沿热点问题及国内天文学科发展现状，清华大学物理系未来将重点发展2个热点研究方向，以地面光学及空间紫外大视场巡天驱动的新兴天文学方向时域天文学、以引力波探测新技术牵引的引力波天文学。 此外，在理论天体物理如磁流体天体物理学、宇宙学以及核天体物理等交叉方向也适当布局。
生物物理是物理学与生物学相结合的一门交叉学科，是生命科学和物理的重要分支学科和领域。生物物理是应用物理学的概念和方法，研究生物各层次结构与功能的关系、生命活动的物理、物理化学过程和物质在生命活动过程中表现的物理特性，旨在阐明生物内有关物质、能量与信息的时间和空间的变化规律。该学科与研究大分子的软物质凝聚态、细胞内外物理化学过程的分子生物学、多组元相互作用高度非均匀非线性的复杂系统理论有密切的联系，在医学临床也有重要应用。
目前物理系生物物理方向的研究领域主要集中于生物医学的光学成像和探测相关的研究。具体包括：（1）基于光散射的无损成像方法及其应用研究。如：偏振光散射理论、方法和 应用；（2）单分子探测及应用研究。如：单分子层次上生物大分子之间相互作用的动力学过程，染色体域空间构象的三维荧光原位杂交研究等；（3）无损或微创的多维、微区、高灵敏探测及光学成像的新原理和方法及其在生物医学中的应用。如：高速高分辨光学相干层析成像、超分辨新原理及方法、医学内窥成像技术、生物信息的高速光计算实验研究等。
量子信息技术是未来信息技术和信息产业革命性变革的核心推动力，将对整个信息产业产生重大影响。量子信息科学的突破是量子信息技术发展和应用的关键。当前，量子信息科技已进入到一个深化发展、快速突破的阶段，呈现出重大产业革命的先兆。 清华大学物理系是世界上最早开展量子信息研究的单位之一，研究领域涉及量子物态与材料、量子计算与通信、量子精密测量、量子器件等多个方面。近年来清华大学加快了量子信息学科布局，加大引进优秀青年人才的力度，进一步提升了我国量子信息科学研究的能力，例如清华大学物理系近期从微软Station Q研究所及荷兰代尔夫特理工大学引进了青年科学家刘东和张浩，大大加强了在拓扑量子比特器件制备方面的实力。清华大学龙桂鲁在2000年提出了量子安全直接通信（量子直通）理论，是国际上量子保密通信的三个最主要理论之一，近年发展迅速。