Развити са няколко направления на изследователска дейност:
- физика на високите енергии и елементарните частици /релативистични адрон-ядрени взаимодействия, структура на деутроните, поляризационни наблюдаеми, обработка на данни/. В катедрата има утвърдена дългогодишна традиция за научно-изследователска работа в областта на физиката на високите енергии и елементарните частици, която продължава и понастоящем. За основоположник на това научно-изследователско направление в катедрата се счита проф. Л. Христов. В това направление през годините работят проф. В. Заячки, проф. Х. Каназирски, проф. З. Златанов, проф. П. Девенски, доц. Л. Минчева и доц. С. Недев. Общо над 350 публикации, 60 доклада на конференции, 500 цитата, 8 договора.
Проф. В. Заячки - през 1987г. получава диплом за научно откритие, регистрирано в България и в Русия, на тема: “Закономерност на изменение на радиуса на силното взаимодействие на протоните при високи енергии” и дипломи за I-ва и II-ра премия на ОИЯИ, Дубна, Русия. Проф. дфн Хр. Каназирски - Първа премия през 1968г. ЛВЕ, ОИЯИ, Дубна. Доц. д-р С. Недев Първа премия на ОИЯИ за “Eкспериментално изследване на поляризационните явления в деутрон-протонни и деутрон-ядрени взаимодействия” 1998г.
- физика на кондензираната материя /вакуумна техника и тънкослойна микроелектроника, структура и физични свойства на кристални и аморфни материали, електронна микроскопия и електронна дифракция, наноматериали/. С присъединяването към катедрата на доц. И. Георгиева през 1958 г. се полагат основите на тематика, ориентирана към физика на твърдото тяло и твърдотелните технологии. В следващите години към това направление на изследвания, се присъединяват една голяма част от редовните и хонорувани асистенти и преподаватели. В областта на физиката на кондензираната материя има общо 550 публикации, 250 доклада на конференции, 500 цитата, 85 договора, 100 дипломанта, 7 защитили докторанта, 46 специализанта:
а) доц. Е. Кашчиева, доц. Е. Гатев, доц. С. Николов, доц. И. Гугов, гл. ас. В. Иванова, гл. ас. Р. Харизанова - структура, фазов състав и физични свойства на стъкла и стъклокристални материали. Общо над 250 публикации, 150 доклада на конференции, 350 цитата, 40 договора, 30 дипломанта, 3 защитили докторанта, 40 специализанта. Доц. Д-р И. Гугов – Първа награда „Авангардна лазерна система за маркиране и декориране”, Стъкларски завод гр. Белослав, 1987.
б) проф. Х. Воденичаров, доц. П. Петков, доц. С. Първанов, д-р Й. Недева - физика и химия на аморфните тънки слоеве и обемни аморфни материали. Общо над 150 публикации, 50 доклада на конференции, 150 цитата, 20 договора, 35 дипломанта, 4 защитили докторанта, 6 специализанта.
в) доц. дтн С. Дамянов и доц. Х. Бечев - физика на полимерите. Общо над 150 публикации, 50 доклада на конференции, 100 цитата, 25 договора, 40 дипломанта, 4 защитили докторанта.
- релативистка високочестотна електроника /генерация на мощно микровълново лъчение от жиротрони, жироклистрони и виркатори/. Доц. И. Йовчев. 25 публикации, 12 доклада на конференции, 35 цитата, 2 договора.
- методика на обучението по физика и приложение на компютрите в обучението по физика /компютърна симулация и използване на компютри при изработването на лабораторни упражнения/ - в това научно-изследователско направление, в което участват с различна степен на ангажираност всички преподаватели от катедрата, основно са насочени интересите на доц. С. Недев, доц. И. Йовчев, доц. Е. Кашчиева, гл. ас. Вл. Иванова, ст. ас. Н. Тонова, ас. С. Славов и инж. С. Рангелов. Общо над 10 публикации, 11 доклада на конференции.
Като долълнение към научната и учебна дейност от 1994 до 2008 г. към катедрата се развива и Учебно-производствена дейност, чиито основен предмет е разработването на модерни лабораторни упражнения по физика, а също и извършването на частичен сервиз на апаратурата в университета.