主要从事核物理基础（理论与实验）、核物理应用、核数据测量与建库、中子散射、激光物理等领域研究。自建所以来，先后完成和取得多项重要科研成果，多次荣获国家和省部级科技进步奖、自然科学奖及其它重要奖项，为我国核物理基础研究、应用基础研究和核技术应用做出了重要贡献。中国原子能科学研究院核物理研究所现有职工200多名，其中院士2人，高级职称人员150多人。现任所长陈东风研究员，党委书记李立强。
我国核物理研究是围绕国防核事业的需要发展起来的，对我国核科技、核工业的建立与发展起了先导性与基础性作用，为我国国防事业及核工业培养了大批优秀人才。在获得国务院和中央军委颁发的“两弹一星功勋奖章”的二十三位专家中，就有朱光亚、钱三强、王淦昌、彭桓武、邓稼先、于敏曾在原子能院从事过核物理研究工作。经过几十年的发展，核物理研究所科研技术人员秉承“以身许国，敢为人先，严谨求实”的精神，为国家核工业重大需求、国防建设和国民经济建设，为新时期科技创新做出不懈努力。
中国原子能科学研究院核物理研究所在核物理基础研究方面，科研人员瞄准国际前沿课题，力争取得具有国际影响力的科研成果，为核物理发展发挥重要作用；在核技术应用研究方面，继续为国家资源、环境、材料、生命等学科做出重要贡献，为国家航空航天事业快速发展发挥重要作用；在核数据测量与评价研究方面，按照“小规模，高水平，有特点”指导原则，为我国核装置发展做出强有力技术保障，满足国家核工程重大需求，为我国核产品研制提供重要基础数据支撑；中子散射研究将努力建设成为与世界先进水平接轨的国家级实验室，为我国
生命科学、材料科学、物理、化学、化工、地矿、环境、工程等方面提供先进研究测量手段，成为我国中子散射研究和应用及人才培养基地。
2023年，原子能院核物理研究所成功研制出国内首台紧凑型加速器质谱仪（AMS）。其中，串列加速器长度仅为1米，大小为传统串列加速器1/3；整套系统占地面积约30平米，较传统AMS装置缩小2～3倍；可实现碳-14、铝-26、碘-129、铀-236等十余种核素的高效与高灵敏分析，相关技术指标达到国际领先水平。这标志着我国在高端核分析设备研制方面取得重要进展，为加速器质谱的高灵敏分析应用奠定了坚实基础。