Eine zentrale Rolle in der Forschung am Fachbereich Physik der TU Kaiserslautern spielen die Bereiche Optische Technologien/Quantenoptik und Festkörperphysik/Materialwissenschaften. Dabei dient die Optik in fast allen Arbeitsgruppen entweder als ein Gegenstand des wissenschaftlichen Interesses oder als eine Untersuchungsmethode. Die Grundlagenforschung nimmt am Fachbereich Physik einen breiten Raum ein und wird sowohl von den experimentellen als auch von den theoretischen Arbeitsgruppen intensiv betrieben.

Schwerpunkte der Theoretischen Physik in Kaiserslautern sind die Quantenoptik und die Festkörperphysik/Vielteilchensysteme. Die grundlagenorientierte Experimentalphysik kreist um die Themenbereiche Ultrakurzzeitphysik mit Laserpulsen (z.B. auf der Femtosekunden-Zeitskala), kohärente Kontrolle elektronischer Zustände, Magnetismus, Nanostrukturphysik und Biophysik. Lasergestützte Prozesse spielen eine große Rolle bei der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der experimentellen und theoretischen Atom und Molekülphysik.

Bei der anwendungsorientierten Forschung finden sich im Fachbereich Physik viele der Schlüsselthemen des 21. Jahrhunderts. In der experimentellen und angewandten Physik werden die Hauptforschungsrichtungen Laserphysik, integrierte Optik und Optoelektronik, Magnetismus und Magnetoelektronik, Festkörperphysik, Oberflächenphysik und Materialwissenschaften und Nano- und Biophysik bearbeitet.