清华大学物理系的科研项目涵盖了广泛的领域，其中包括理论物理、粒子物理与场论、高能天体物理实验和理论天体物理、核物理实验和理论，以及计算凝聚态物理与新材料设计等。研究重点深入到低维、纳米、强关联体系的理论和实验、超导应用、激光物理、量子光学与非线性光学、量子计算和通讯、单原子分子探测识别和操作等领域，显示出对前沿科技的积极探索。
在管理层面，物理系设有凝聚态物理研究所、高能物理与核物理研究所和原子分子与光物理研究所三个研究所，以及原子分子纳米科学教育部重点实验室和科技部材料设计与模拟实验室（清华分室）两个跨二级学科重点实验室。此外，还有五个跨一级学科研究中心，如原子分子纳米科学研究中心、应用超导研究中心、天体物理中心、清华富士康纳米科技中心和高能物理研究中心，为科研提供了强大的支撑体系。
在科研成果方面，物理系的实力尤为显著，如朱嘉麟等人在2000年因低维量子结构的理论研究获得了国家自然科学二等奖，韩征和等人则在2006年因'Bi系高温超导线材的研制及产业化技术攻关'项目荣获国家科技进步二等奖。近年来，物理系每年承担国家和省部委的科研项目超过100项，科研经费总额接近2000万元，科研论文频繁发表在《SCIENCE》《NATURE》《PHYSICAL REVIEW LETTERS》等顶级期刊上，展现出卓越的科研实力和影响力。
清华大学物理系位于历史遗迹环绕、美丽的清华园西北角的理科楼（蒙民伟理科馆），毗邻清华大学数学系、化学系和生物系。目标是培养具有扎实理论基础和较强科学实验能力的高质量物理人材。