Tematyka prac badawczych prowadzonych na Wydziale Fizyki i Astronomii koncentruje się wokół następujących tematów, odpowiednio
w Instytucie Astronomii:
- promieniowania pulsarów i magnetarów;
- analiz struktury ośrodka międzygwiazdowego i jego wpływu na rozpraszanie sygnału radiowego;
- astrofizyki fal grawitacyjnych;
- fizyki plazmy w Układzie Słonecznym;
- badania układów dynamicznych współczesnej mechaniki nieba i astrodynamiki;
oraz w Instytucie Fizyki:
- spektroskopii EPR i FMR;
- badań eksperymentalnych i symulacji nowych materiałów i nanomateriałów funkcjonalnych;
- fizyki plazmy elektronowej;
- zagadnień symetrii mikroświata;
- zagadnień optyki kwantowej;
- informatyki kwantowej;
- fizyki magnetyzmu;
- metod matematycznych fizyki;
- mechaniki analitycznej i układów nieliniowych;
- astrofizyki wysokiej energii.
Do badań obserwacyjnych i eksperymentalnych wykorzystywana jest zarówno aparatura badawcza będąca na wyposażeniu Wydziału, w Parku Naukowo Technologicznym Uniwersytetu Zielonogórskiego, jak i w licznych ośrodkach zagranicznych, z którymi Wydział współpracuje.