学院聚焦国际科技前沿、国家重大需求和经济社会发展需求，坚持“凝聚大团队、构建大平台、承担大任务、催生大成果”的基本原则，形成集“前沿科学研究、关键技术创新、系统集成应用和技术成果转移转化”于一体的“全链条”自主创新体系。学院拥有国家集成电路微纳检测设备产业计量测试中心（联合张江实验室筹建）、先进微结构材料教育部重点实验室、上海市数字光学前沿科学研究基地、上海市全光谱高性能光学薄膜器件及应用专业技术服务平台、上海蓝宝石单晶工程技术研究中心（共建）等5个国家及省部级重点实验室和平台。此外，学院下设精密光学工程技术研究所、声学研究所、声子学与热能科学中心等校级学科重点研究平台。学院聚焦电磁波调控微结构物理与应用、集成电路纳米计量、尖端光学器件与系统、统计物理与复杂系统、原子核物理和核天体，以及前沿声学理论与技术等6大特色前沿科学研究方向，解决国家的重大战略需求，突破卡脖子技术瓶颈，多次在国家科学技术进步工作上做出重大突出贡献，受到国家及上海市荣誉表彰。

学院科研工作以国际科学前沿和国家战略需求为导向，既鼓励原创性基础研究，也积极推进面向国家重大科技需求的应用研究，同时提倡不同优势学科之间的交叉拓展，取得了一大批在国内外具有重要影响的研究成果。“十四五”期间，学院新增国家科技奖3项，已完成和在研国家自然科学基金创新群体、杰出青年基金、重大和重点项目、国家重点研发计划、上海市重大项目等各类基金项目558项，总合同经费6.2亿。2024年度立项经费超2.5亿，进校经费超1.5亿元。新成立国家集成电路微纳检测设备产业计量测试中心。教师总计发表论文551篇，其中SCI论文367篇，国际期刊论文发表数量462篇，中科院1区论文95篇，JCR一区论文153篇，ESI高被引论文4篇。出版著作1本，学院教师在135个国内外学术组织担任主席、委员、理事；在66个国际国内学术期刊担任主编、编委；在2个国际标准化组织担任委员和工作组召集人、制定国际国家标准19项，其中3项国家一级标准物质获批，属国内首次、同济自主研制。