Helsingin yliopistossa tehdään huippututkimusta muun muassa ilmakehätieteiden, hiukkasfysiikan, kosmologian, tähtitieteen ja materiaalifysiikan aloilla. Osaan näistä (esim. ilmakehätieteet, tähtitiede) voit alkaa erikoistua jo kandivaiheessa, osaan (esim. materiaalifysiikka, hiukkasfysiikka) erikoistutaan maisteriopinnoissa, jolloin kandivaiheessa luodaan teoreettinen pohja.
Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osaston tutkimusalue koostuu muun muassa:
Hiukkasfysiikan kokeellinen tutkimus perustuu osallistumiseen suurten kansainvälisten hiukkasfysiikan tutkimuskeskusten toimintaan. Tutkimusryhmiä on mukana kokeissa CERNissä Genevessä. Tutkimusaiheina ovat mm. sähköheikonsymmetrian rikko, raskaskvarkkifysiikka ja etusuuntafysiikka.
Havaitsevan kosmologian ryhmä osallistuu Euroopan avaruusjärjestön ESA:n Planck Surveyor Mission ja Euclid -kokeisiin.
Teoreettisen hiukkasfysiikan tutkimus sisältää laajasti aiheita liittyen kvanttikenttä- ja säieteorioihin. Tutkimus suuntautuu sekä teorioiden rakenteeseen että fenomenologiaan eli hiukkasten ilmiömaailmaan.
Kosmologiassa tutkitaan varhaisen maailmankaikkeuden ominaisuuksia. Kiinnostuksen kohteina ovat kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilavaihtelut, inflaatiomallit, pimeä energia, sekä säiekosmologia.
Tähtitieteen tutkimuskohteet ulottuvat planeettakunnan tutkimuksesta tähtien syntyprosesseihin ja aktiivisuuteen sekä galaksien syntyyn ja kehitykseen. Avaruusfysiikassa tutkimus suuntautuu avaruusplasmafysiikkaan ja avaruussääilmiöihin.
Tutkimusyhteistyö Fysiikan tutkimuslaitoksen teoriaohjelman ja hiukkasfysiikan ohjelmien kanssa on kattavaa. Tähtitieteen tutkimuksessa tärkeä kansallinen yhteistyökumppani on Suomen ESO-keskus FINCA. Avaruusfysiikan ja tähtitieteen tutkimus on osa Kumpulan avaruuskeskusta.
Ilmakehätieteissä tutkitaan ilmakehien fysikaalisia, kemiallisia ja meteorologisia ominaisuuksia. Tutkimuksen painopistealueet ovat:
Kiinteän maan geofysiikan ja planetaarisen geofysiikan tutkimus kohdistuu maapallon kiinteään osaan, planetaarisin kappaleisiin, asteroideihin ja meteoriitteihin. Kiinteän maan geofysiikan tutkimuksessa aiheina ovat mm. maankuoren ja litosfäärin termiset olosuhteet, paleomagnetismi, laattaliikkeet ja kivien fysikaaliset ominaisuudet. Sovelletussa kiinteän maan geofysiikassa tutkitaan mm. heijastusseismiikan käyttöä malmietsintään kiteisen kallioperän alueella, geotermistä energiaa ja käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitusta kallioperään. Planetaarisen geofysiikan tutkimus keskittyy meteoriittien fysikaalisten ominaisuuksien, mikrometeoriittien ja asteroidien tutkimukseen.
Materiaalifysiikassa tutkitaan materiaalien ominaisuuksia nanotasolta mikro- ja makrotasolle. Kumpulassa materiaalitutkimusta tehdään sekä laskennallisen fysiikan että kokeellisen fysiikan keinoin ja näitä yhdistäen. Kokeellista tutkimusta tehdään sekä kotimaassa että kansainvälisiä tutkimuslaboratoriota, kuten ESRF:ää, hyödyntäen. Tutkijat kuuluvat myös kansainvälisiin tutkimusryhmiin CERNissä ja ITER-projektissa.