O estudo de estrutura da matéria em escala atômica e molecular é capaz de explicar as propriedades dos materiais e subsidiar teoricamente inovações tecnológicas. Os grupos de pesquisa do ITA têm linhas de trabalho em Física Atômica, Molecular e da Matéria Condensada que investigam materiais semicondutores, interação luz-matéria, mecanismos de reações químicas, aglomerados moleculares e modelos de superfícies.

O grupo de física nuclear do ITA desenvolve pesquisas relacionadas às seguintes áreas: estrutura Nuclear e Hadrônica, modelos relativísticos, fenomenologia de partículas, teoria Quântica de Campos, cosmologia, astrofísica e gravitação, reações nucleares e espalhamento Geral, transporte das radiações ionizantes e aplicações aeroespaciais.

O grupo de dinâmica não linear do ITA desenvolve pesquisas teóricas nas áreas de plasmas de fusão; fluidos e plasmas espaciais e astrofísicos; dinâmica orbital e mecânica celeste. Esta área compreende a modelagem, simulação e análise de sistemas complexos encontrados na natureza e em laboratório.

Estudos de plasmas quentes e frios aplicados à fusão termonuclear controlada e tecnologias de plasmas voltadas para o desenvolvimento de dispositivos e reatores para tratamento de materiais e deposição de filmes finos. Aplicações incluem nanotecnologia, tratamento de materiais (microeletrônica, mecânica, aeroespacial, energia entre outros assuntos.