Wydział składa się z Instytutu Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego, Instytutu – Obserwatorium Astronomiczne oraz Zespołu Zakładów Informatyki Stosowanej.

Badania naukowe w Instytucie Fizyki, który jest jedną z największych placówek naukowych w Polsce, obejmują bardzo szeroki zakres, poczynając od badań mikroświata (fizyka cząstek elementarnych, jądrowa, atomowa, molekularna, materii skondensowanej, nanotechnologia), aż po kosmologię. W pracach badawczych reprezentowane są także kierunki o charakterze interdyscyplinarnym, np. biofizyka, kognitywistyka, ekonofizyka.

Najważniejsze dziedziny badań:

• Procesy zachodzące we Wszechświecie. Naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego skupiają się na badaniach procesów we Wszechświecie, widzianych w różnych skalach czasowych i energetycznych. Badania te realizowane są poprzez obserwacje prowadzone w pełnym zakresie widma elektromagnetycznego oraz na drodze teoretycznej.

• Inteligentne systemy informatyczne i ich zastosowania. Badania pracowników Zespołu Zakładów Informatyki Stosowanej obejmują problemy łączące zagadnienia sprzętu i oprogramowania oraz odnoszą się do wielu dyscyplin, od humanistycznych (socjologia i psychologia), poprzez chemię, biologię, medycynę, modelowanie i wizualizacje problemów fizyki, kończąc na szerokim spektrum zagadnień inżynierskich.

• FAIR („Facility for Antiproton and Ion Research in Europe"). Jedno z najważniejszych światowych przedsięwzięć naukowych, w których uczestniczą badacze z Instytutu Fizyki. Przygotowywane w ośrodku FAIR eksperymenty dostarczą komplementarnych informacji o nieznanych stanach materii i wczesnej ewolucji Wszechświata.

• Badania oddziaływań fundamentalnych. Fizycy z wydziału biorą udział w badaniach nad oddziaływaniami podstawowymi w europejskim laboratorium CERN. W 2013 roku Instytut Fizyki stał się członkiem zespołu badawczego eksperymentu ATLAS przy LHC (Large Hadron Collider).

Projekty badawcze i inwestycyjne:
O światowym poziomie badań świadczy rosnąca liczba grantów badawczych zdobywanych zarówno przez doświadczonych badaczy, jak i młodych naukowców (od około 40 do 120 i 110 realizowanych odpowiednio w latach 2005–2007, 2008–2010 i 2011–2013). Dotyczy to zarówno projektów krajowych, jak i międzynarodowych.

Dzięki projektowi inwestycyjnemu „ATOMIN – Badanie układów w skali atomowej: nauki ścisłe dla innowacyjnej gospodarki", który w sposób bezprecedensowy zwiększył jego potencjał badawczy, wydział skutecznie rywalizuje z równorzędnymi ośrodkami światowymi.

Wyrazem uznania dla Krakowskiego Konsorcjum Naukowego im. Mariana Smoluchowskiego „Materia – Energia – Przyszłość", w skład którego wchodzi wydział, było przyznanie mu w 2012 roku statusu Krajowego Naukowego Ośrodka Wiodącego (KNOW). Konsorcjum tworzy silny ośrodek badań interdyscyplinarnych w obszarze nauk fizycznych.

W wyniku przeprowadzonej w 2013 roku ewaluacji polskich jednostek badawczych pod kątem osiągnięć naukowych, potencjału naukowego oraz materialnych efektów działalności naukowej wydział otrzymał najwyższą kategorię A+ w grupie nauk ścisłych i inżynierskich.

Przykładem szerokiej współpracy międzynarodowej jest uczestnictwo naukowców z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej w projekcie badań neutrin słonecznych BOREXINO („Boron solar neutrino experiment"). W trakcie jego realizacji potwierdzono bezpośrednio występowanie geoneutrin, umożliwił on także najdokładniejszy pomiar prędkości neutrin emitowanych w laboratorium CERN. Uzyskane wyniki mają fundamentalne znaczenie dla astrofizyki, fizyki cząstek i geofizyki.

Innym z tego rodzaju przedsięwzięć są badania prowadzone za pomocą urządzeń/radioteleskopów „Low Frequency Array" (LOFAR). Dotyczą one fizyki ziemskiej jonosfery, plazmy międzygwiazdowej, gwiazd neutronowych oraz centrów galaktyk. Na uwagę zasługują również, prowadzone w ramach polskiego konsorcjum „Cherenkov Telescope Array" (CTA), badania wysokoenergetycznych cząstek promieniowania kosmicznego, powstającego w trakcie wybuchów gwiazd, w centrach galaktyk lub pozostałego po wczesnym Wszechświecie.

Prof. Andrzej Budkowski – jest fizykiem zajmującym się głównie zjawiskami powierzchniowymi układów makrocząsteczek. Prof. Budkowski jest autorem podstawowych prac na temat cienkich warstw mieszanin polimerów. Wraz ze swoją grupą bada procesy formowania organicznych nanowarstw i mikrowzorów dla ogniw słonecznych, elektroniki, powłok biomedycznych. Kieruje polskim konsorcjum dwóch projektów europejskich dotyczących konstrukcji biosensorów wykrywających choroby (PYTHIA) i niebezpieczną żywność (FOODSNIFFER).

Prof. Elżbieta Richter-Wąs – zajmuje się fizyką teoretyczną dotyczącą fenomenologii oddziaływań cząstek elementarnych, m.in. zderzeniami elektron–pozytron i proton–proton przy wysokich energiach. Jest współautorką uznanych programów Monte Carlo wykorzystywanych do porównań precyzyjnych analiz doświadczalnych z przewidywaniami teoretycznymi. Prof. Richter-Wąs jest członkinią zespołu eksperymentu ATLAS prowadzonego na akceleratorze LHC w CERN, koordynatorką prac nad sygnaturami dla odkrycia bozonu Higgsa w eksperymentach LHC i współautorką publikacji o odkryciu bozonu Higgsa.

Prof. Maciej Ogorzałek – jest informatykiem prowadzącym badania dotyczące zastosowań metod inteligencji obliczeniowej w przetwarzaniu danych biomedycznych i wspomaganiu diagnostyki. Drugi obszar jego zainteresowań to nowe metody obliczeniowe do projektowania układów mikroelektronicznych następnych generacji. Jest autorem ponad 280 publikacji, laureatem programu Mistrz FNP. Sprawuje wiele funkcji w międzynarodowych organizacjach naukowych. Od 2012 roku jest członkiem Academia Europaea.

Prof. Michał Ostrowski – astronom o szerokich zainteresowaniach, specjalizujący się w badaniach z zakresu astrofizyki wysokich energii. Jest autorem szeregu fundamentalnych prac na temat akceleracji cząstek promieniowania kosmicznego w falach uderzeniowych i badaniach relatywistycznych strug z aktywnych galaktyk. Kieruje polskim konsorcjum ważnego w badaniach Wszechświata projektu astronomii gamma, „Cherenkov Telescope Array". Bierze też udział w pracach międzynarodowych komisji i gremiów opiniodawczych, jest członkiem Naukowego Komitetu Doradczego Sieci Astrofizyki Cząstek w Europejskim Obszarze Badawczym (ASPERA) oraz Komitetu Koordynacyjnego Astrofizyki (APPEC).

Wśród osiągnięć, którymi mogą poszczycić się naukowcy z wydziału, warto wskazać między innymi na opracowanie metody obrazowania płuc przy pomocy spolaryzowanego helu 3He. Sukcesem jest otrzymanie (we współpracy ze Szpitalem im. Jana Pawła II w Krakowie) pierwszych w Polsce obrazów ludzkich płuc przy wykorzystaniu rezonansu magnetycznego.

Innym z sukcesów jest przystąpienie do budowy polskiego optycznego zegara atomowego. W ramach współpracy w Krajowym Laboratorium FAMO powstaje zegar nowej generacji, wykorzystujący ultraprecyzyjne lasery do pomiaru częstotliwości w chłodzonych laserowo atomach.

Przegląd nowych rezultatów badań naukowych uzyskanych w fizyce cząstek jest celem organizowanej od ponad 50 lat konferencji „Krakowska Szkoła Fizyki Teoretycznej". Lista dotychczasowych prelegentów obejmuje laureatów Nagrody Nobla. Materiały publikowane są w wydawanych przez Instytut Fizyki „Acta Physica Polonica B", czasopiśmie z listy Institute for Scientific Information.

Naukowe sukcesy wydziału, jak i jego liczne przedsięwzięcia popularyzatorskie (m.in. warsztaty i laboratoria z fizyki, wykłady popularnonaukowe, Akademia Fizyki, Wieczory z Gwiazdami czy Radiowe obserwacje Drogi Mlecznej), nieustannie przyciągają wielu entuzjastów nauki.