Działalność naukowa w Oddziale Fizyki Teoretycznej obejmuje szerokie spektrum badań fundamentalnych dotyczących zrozumienia budowy i dynamiki Wszechświata we wszystkich możliwych skalach, od najmniejszej do największej. Będąc częścią globalnej społeczności naukowej, większość naszych badań jest prowadzona w ramach międzynarodowej współpracy z wiodącymi ośrodkami badawczymi, takim jak: CERN, DESY, JINR Dubna, Budker Institute of Nuclear Physics, NCSR Demokritos, DAPHNIA Saclay, LAPP Annecy, BNL Berkeley, ENEA Frascati, INRIA Rocquencourt, NCNR Santiago de Compostela i szereg uniwersytetów; w Aachen, Hamburga, Karlsruhe czy Poczdamie w Niemczech; Pierre et Marie Curie (Paryż VI), Denis Diderot (Paryż VII) i Paris-Nord (Paryż XIII) we Francji; Baylor, Penn State i Southern Methodist w USA; z Castilla-La Manchy, Granady i Walencji w Hiszpanii; Birmingham, Durham, Manchester i Liverpool w Wielkiej Brytanii; Central China Normal i Hangzhou Normal w Chinach; Nagoi w Japonii i Coimbry w Portugalii.
Główne tematy badawcze Oddziału można podzielić na następujące kategorie: