Trata das propriedades físicas da matéria. Em particular, é a área que se ocupa com a fase "condensada" que aparece sempre que o número de constituintes de um sistema (átomos, elétrons, etc.) é extremamente grande e as interações entre os constituintes são fortes. Os exemplos mais familiares de fases condensadas são sólidos e líquidos, que se originam da força elétrica entre os átomos. Fases condensadas mais exóticas incluem o superfluído e o condensado de Bose-Einstein observados em certos sistemas atômicos sob temperaturas muito baixas, a fase supercondutora caracterizada pela condução elétrica em certos materiais, e as fases ferromagnéticas e antiferromagnéticas do spin em um sistema cristalino. A física da matéria condensada é uma área da física cujo objeto de investigação engloba o da física do estado sólido e inclui sólidos amorfos e líquidos. Física da matéria condensada é um dos campos mais abrangentes da física contemporânea. Historicamente, a física da matéria condensada cresceu a partir da Física do Estado Sólido, que é agora considerada um das suas subáreas. A pesquisa nesta linha é bastante diversificadas abrangendo desde de investigações de propriedades elétricas, magnéticas, térmicas, ópticas e mecânicas em diferentes estados da matéria a síntese, caracterização e descoberta de novos materiais. Também incluem simulação computacional de materiais. Eficiência energética, energia renovável, física de semicondutores, estrutura eletrónica, sensores e dispositivos eletrônicos, supercondutividade, entre outros temas também se fazem presentes nesta linha de pesquisa.

O objetivo principal dessa área de pesquisa, também conhecida como Física de Altas Energias, é a compreensão dos constituintes mais fundamentais da natureza, bem como suas interações básicas. Por constituintes fundamentais denominamos as partículas elementares, que são classificadas em dois tipos: férmions e bósons. Atualmente, são conhecidas como básicas as interações fracas, fortes, eletromagnéticas e gravitacionais. A teoria atual que descreve as interações entre partículas elementares (desconsiderando a gravidade) é o Modelo Padrão. Ele resulta da Teoria Quântica de Campos ao se considerar certas simetrias especiais. Nesse modelo os férmions aparecem em réplicas de uma família composta pelo elétron, neutrino e quarks up e down (constituintes de prótons e nêutrons). Os bósons vetoriais são intermediadores das interações e, ainda, é postulado existir um bóson escalar (bóson de Higgs) para explicar a existência das massas das demais partículas elementares. A existência do bóson de Higgs foi recentemente confirmada pelos experimentos no Large Hadron Collider (LHC), no CERN. Em comum, todo físico atuante nesta área precisa ter um sólido conhecimento das teorias fundamentais da física, principalmente a Mecânica Quântica e a Relatividade, e uma grande curiosidade pela compreensão da natureza mais íntima da matéria.

Ciência da Informação Quântica é uma área de pesquisa relativamente nova que combina Ciência da Informação e Mecânica Quântica além de uma diversidade de conhecimento multidisciplinar. Estamos presenciando a segunda revolução quântica (a primeira foi a micro-eletrônica). Essa nova tecnologia quântica está surgindo em diferentes formas. Computação quântica que pode nos levar além dos limites clássicos para processamento de informação; criptografia quântica que promete comunicação “ultra-segura” e metrologia quântica com dispositivos ultra-sensíveis para detectar pequenas mudanças físicas ou biológicas, são alguns exemplos desta revolução tecnológica. Os algoritmos quânticos prometem resolver problemas computacionais anteriormente intratáveis ​​e revolucionar as simulações de sistema de muitos corpos. Do ponto de vista prático, sistemas atômicos, de spin e fotônicos podem substituir a eletrônica baseada em carga (transistores e memórias). Esses dispositivos abrem caminho para uma nova classe de aplicações mais poderosas e energeticamente eficientes. Nos bastidores desta área, a termodinâmica em escala quântica limita essas aplicações. Fenômenos como a decoerência impõe novos desafios tecnológicos. O entendimento sobre os limites da tecnologia quântica está associado ao desenvolvimento da nova “Termodinâmica Quântica”. As subáreas desta linha de pesquisa incluem: Termodinâmica quântica; computação quântica, comunicação quântica, biologia quântica, óptica quântica, metrologia quântica, etc. 

Nessa linha são desenvolvidos projetos de pesquisa que versam sobre diferente temas envolvendo a teoria da relatividade geral e suas aplicações, a astrofísica, a cosmologia, a física dos buracos negros, teorias alternativas de gravitação, e a intersecção entre a teoria de campos em espaços curvos, física das partículas elementares e física nuclear. Relatividade geral é uma teoria geométrica da gravitação proposta por Einstein. Fornece uma descrição unificada da gravidade como uma propriedade geométrica do espaço e do tempo, ou espaço-tempo. Em particular, a "curvatura do espaço-tempo" está diretamente relacionada à energia e ao momento da matéria e da radiação. Cosmologia é a área que estuda a origem, a estrutura e a evolução do Universo a partir da aplicação de métodos científicos. Há uma diversidade de temas a serem investigados nesta área que vão desde de buracos negros a origem do universo passando por onda gravitacionais entres outros aspectos. Alguns aspectos astrofísicos estão incluídos nesta linha de pesquisa.

Nanociência está relacionada ao desenvolvimento do conhecimento, de técnicas e aplicações em nanotecnologia. Esta área envolve a compreensão de fenômenos, manipulação e caracterização de materiais em escalas atômica ou molecular, onde as propriedades diferem significativamente daqueles em escala meso e macroscópica. Características importantes dos sistemas físicos, tais como propriedades elétricas, ópticas, térmicas e mecânicas, são determinados pela forma como moléculas e átomos se arranjam formando estruturas maiores. Por outro lado a nanotecnologia é a aplicação da nanociência que conduz à utilização de novos materiais nano-estruturados em produtos tecnológicos úteis. Os Materiais Avançados e Funcionais são materiais que, resultaram de desenvolvimentos inovadores em técnicas de produção e/ou de processamento, apresentam novas estruturas com propriedades superiores para aplicações em energia ou compatibilidade biológica, os exemplo. Em geral Materiais Avançados agregam grande potencial comercial e econômico para o desenvolvimento de novas tecnologias. 

Investiga a estrutura de átomos e moléculas. Está associada ao estudo das interações radiação-matéria e matéria-matéria; na escala de um ou poucos átomos até limites meso/macroscópicos envolvendo espectroscopia de vapores de gás. As investigações nestas áreas incluem tratamentos clássicos, semi-clássicos e quânticos. Tipicamente, teoria e aplicações de emissão, absorção, dispersão de radiação eletromagnética (luz) em átomos e moléculas excitados, análise de espectroscopia, produção de lasers e masers, e as propriedades ópticas da matéria em geral, enquadram-se nessas categorias. O condensado de Bose-Einstein é uma fase da matéria formada por bósons a uma temperatura muito próxima do zero absoluto. Nestas condições os efeitos quânticos podem ser observados à escala macroscópica. Sistemas dinâmicos e óptica não-linear também fazem parte parte desta linha de pesquisa.