应用物理学的研究建立在量子力学、统计物理学、电磁理论、力学和高等数学的基础上。加州理工学院的应用物理研究风格既有理论性又有丰富的实验性。最先进的设施位于沃森实验室和校园内的相关实验室。
研究领域：
生物物理学
用于生物应用的纳米结构材料、生物材料的力学和动力学
活细胞中的天然和合成调节回路
大分子组装力学
用于 DNA 操作的纳米制造技术
界面应力引起的生物流动、运动、相分离
计算物理学
基于密度泛函理论和激发态方法的材料第一性原理计算的发展和应用
从连续介质到分子动力学模拟的薄膜交叉行为
材料和过程的原子研究
气体和流体力学
流体物理学和湍流动力学
微/纳米级液膜中的流体动力学不稳定性、图案形成、表面力
光子学、光学和量子电子学
跨学科材料和器件研究，涵盖光子学和电子学，以及在硅基光子学、等离子体学、可再生能源和机械活性薄膜器件中的应用
材料中光-物质相互作用的理论和从头算计算
片上量子光子器件，如量子比特和量子存储器，以及基于介电超表面的平面光学器件
用于量子光学、光学计算和信息处理以及中红外光谱和传感的非线性光子器件和系统
用于多物理信息处理的超导量子比特、量子光学和基于芯片的设备
用于精密测量和量子信息科学应用的纳米光子学、量子光学和光机械学
光电、磁光和电子设备的纳米结构制造
微波频率的量子限制放大器、高级超导体的应用、与原子物理接口的光机械结构、量子极限机械结构的制备
瞬逝传感、光流控设备、纳米粒子捕获技术
高 Q 微腔中的非线性光学、频率微梳、光孤子物理学
量子阱半导体激光器、非线性光学和光波通信
等离子物理学
聚变、磁层、太阳和天体物理等离子体;冰尘等离子体;基础等离子体物理学，包括波、磁螺旋度、重联
固态设备
大分子和晶体的电子波函数的量子力学
光电、磁光和电子设备的纳米结构制
制造耦合到超导电路和器件的机械结构，用于大规模研究量子物理学
超快电子工艺和纳米级设备
半导体激光器和光电设备
固体和材料
使用第一性原理计算的材料中的电荷载流子动力学材料中激发电子的超快动力学
高度非线性动力学、声子晶体、多尺度超材料、纳米加工
极低温度下的超流氦装置
液体/固体界面的动态摩擦定律，聚合物纳米薄膜的光刻图案