Научная работа ведется в таких областях современной физики, как физика твердого тела, теория элементарных частиц, теория гравитации, математическая физика и микроэлектроника, квантовая оптика. Изучаемые проблемы связаны с процессами, происходящими в физических системах от микроуровня до масштабов структуры Вселенной в целом.

В работах ученых факультета исследуются физические явления в полупроводниковых активных элементах, явления, сопровождающие образование и взаимодействие дефектов, физические и технологические аспекты деградации и надежности полупроводниковых приборов и схем, а также влияние облучения на свойства материалов и приборов.

Ведутся работы по проблеме повышения радиацационной стойкости материалов и приборов, по созданию методов испытаний на радиационная стойкость, включая методы имитации радиационного воздействия. Разрабатываются новые конструкции электролюминесцентных индикаторных и излучательных устройств, полупроводниковых и оптоэлектронных приборов, активных полупроводниковых линий передач и излучательные процессы в них.

Теоретические и экспериментальные исследования ведутся в области взаимодействия излучений и заряженных частиц с твердым телом и оптически активными средами, в области диагностики полупроводниковых приборов и микросхем, разработки, освоения и использования новейших методов анализа материалов: электрофизических, оптических, рентгеновских электронно- и ионнозондовых, ядернофизических и др.

Методами математического моделирования исследуются процессы формирования ориентационных эффектов в кристаллах и их влияние на упругое рассеяние и торможение токов, образование радиационных дефектов, а также решаются задачи дозиметрии и радиационной защиты.

Осуществляется поиск и исследование новых материалов для микроэлектроники и оптоэлектроники: пористого кремния, наноструктур и т.д. Разрабатываются и применяются новые физические методы анализа элементного и химического состава технологических отходов, продуктов питания, стройматериалов, объектов окружающей среды.

  Выпускники имеют возможность сделать научную карьеру, продолжив обучение в аспирантуре и докторантуре. В университете функционирует диссертационный  совет   ДМ 212.278.01, в котором можно защитить научную работу на соискание ученой степени по специальностям: 

• 01.04.05 «Оптика (ф-м.н.)».
• 01.04.07 «Физика конденсированного состояния (ф-м.н.)».
• 01.04.10 «Физика полупроводников (ф-м.н., тех.н.)».

Активно ведется совместная работа с ведущими научными центрами России.
Научные школы Гурина Н.Т. и Семенцова Д.И. активно взаимодействуют с Научным центром волоконной оптики Российской академии наук (НЦВО РАН), а также Институтом общей физики Российской академии наук (ИОФ РАН). Подписан договор на выполнение опытно-конструкторской работы по теме: «Разработка фотоэлектрического преобразователя углов» с Открытым акционерным обществом «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения». Ведется активное сотрудничество с Научным центром волоконной оптики РАН (г.Москва). Имеются совместные публикации в Российской и зарубежной печати. Совместно с ГНЦ РФ НИИАР (г.Димитровград) ведется облучение волоконных световодов и других материалов в реакторах НИИАР для проведения экспериментальных исследований. Работа с НПО «МАРС» в перспективе поможет создать волоконные датчики для нужд летательной техники.
Лаборатория космических исследований кафедры Теоретической физики участвует в выполнении работ в области исследований космоса. В рамках этих работ на кафедре создан программно-аппаратный комплекс приема спутниковой информации с космических аппаратов NOAA, включающий антенну, приемник сигнала и программу визуализации изображения Научный руководитель работы проф. Журавлев В.М. Также Журавлев В.М. является руководителем со стороны УлГУ межвузовской кафедры «Космические исследования» совместно с Самарским государственным аэрокосмическим университетом (СГАУ) и СамГУ. 2 года подряд проводится интернет-конференция с сотрудниками, работающими на Большом Адронном Коллайдере. Председатель организационного комитета Журавлев В.М. В 2012 году открыт Инновационно-образовательый Центр космических услуг УлГУ под научным руководством Журавлева В.М. Основной целью является развитие инновационно-образовательной инфраструктуры использования результатов космической деятельности в интересах социально-экономического развития Ульяновской области. Организована работа Интернет-ресурса при ЦКУ УлГУ «Геопортал Ульяновской области». В 2011 году подписано соглашение о сотрудничестве УлГУ с Государственной «Научно-производственной корпорацией РЕКОД» в области использования результатов космической деятельности.
Кафедра ТБ ИФФВТ по ряду направлений научной работы взаимодействует с Главным управлением МЧС России по Ульяновской области, Ульяновским высшим военно — техническим институтом.

 Результаты научной работы публикуются в известных отечественных и зарубежных рецензируемых изданиях, а также находят отражение в поддержаных патентах.  В 2020 году учеными факультета подготовлено более 50 публикаций, среди которых 18 в журналах, индексируемых в международных базах данных WoS/Scopus, 12 в журналах из списка ВАК, получено 23 документа на право интеллектуальной собственности. 

Представители факультета традиционно занимают высокие места по результатам расчета индивидуального рейтинга профессорско-преподавательского состава Университета.