המרכז לחקר האנרגיה מקדם מחקר בכל היבטי האנרגיה, ובכלל זה המרה ישירה, חילול חשמל תרמי, תהליכים כימיים מונעי חום, ופוטוכימיה. חקר האנרגיה כולל מגוון רחב של תחומים וכל הפקולטות במכון מעורבות בו, כשמירב המאמצים מופנים לקרינה סולארית.
מיכאל אפשטיין, ראש המרכז

המרכז לאבטחה וחישה על-שם ננסי וסטפן גרנד מתמקד בפיתוח סוגי חיישנים חדשים ודרכים חדשות לשיפור רגישותן ומידת דיוקן של שיטות החישה. שיטות אלו כוללות חיישני ביו, חיישנים ביו-רפואיים, וטכנולוגיות ניסיוניות הנדרשות להקטנת ממדי החיישנים, הגברת רמת הדיוק שלהם ויכולת הזיהוי של כמויות מדויקות ממרחק תוך שימוש באמצעים לא פולשניים.
פרופ' רון נעמן, ראש המרכז

מרכז על-שם פריץ האבר לכימיה פיסיקלית תומך בפעילויות מדעיות שונות, בתחומי הכימיה הפיסיקלית והפיסיקה הכימית. המימון משמש בדרך כלל לרכישת ציוד לפרוייקטים הדורשים, למשל, טיהור דגימות ביולוגיות וכימיות, הדמיה בהפרדה גבוהה של זנים ודגמי חיות, ומאפשר חקירת מזהמים בתרופות, ויישום מחקרי מיקרוסקופיית אור.
פרופ' לוסיו פרידמן, ראש המרכז

מכון  למדעי החומרים ולמחקר באמצעות תהודה מגנטית על-שם אילזה כץ מתמקד בקידום מחקר בסיסי בשני התחומים הללו. תהודה מגנטית (MR) העניקה למדע את אחד מן הכלים מבוססי הפיסיקה המשמעותיים ביותר להדמיה ואבחנה, הן כמכשיר לאפיון מוצקים או נוזלים במצב ההפעלה הספקטרוסקופי (MRS) ולהדמיה בלתי פולשנית של תאים, אברים ורקמות במצב ההפעלה ההדמייתי (MRI). רבים ממדעני מכון ויצמן מילאו תפקידי מפתח בהתפתחות חקר התהודה המגנטית, ותרמו לעבודה התאורטית על העקרונות הקוונטיים המכניים הבסיסיים, שעליהם מבוסס התחוםשהובילו לפיתוח מגוון רחב של חומרים, טכניקות מחקר ויישומים רפואיים חדשים. 
פרופ' יחיעם פריאור, ראש המכון 

המרכז לחקר המבנה של מערכות ביומולקולריות על-שם הלן ומילטון א. קימלמן מעודד את המחקר ברמה המולקולרית של בעיות מדעיות הנוגעות למכלול המאקרומולקולות  הביולוגיות, לכדי יחידות תוך-תאיות ואברונים אקטיביים מבחינה תפקודית. המרכז תומך בפרויקטי מחקר בהיבטי מחקר מבני  של ביו-מאקרומולקולות כדלקמן: מבעים וטיהור של חומצות גרעין וחלבונים, התגבשות, איסוף מידע קריסטלוגרפי במתקנים בינלאומיים חדשניים, והצגתם והדמייתם של תהליכי החיים.
פרופ' עדה יונת, ראש המרכז

מרכז הלן ומרטין קימל למדעי הארכיאולוגיה מתמקד בהכשרת סטודנטים לדוקטורט בתחומי מדעי הטבע והארכיאולוגיה, באופן שיאפשר להם ליישם שיטות וכלי ניתוח מורכבים בחקר תרבויות עתיקות בהתבסס על שרידי חומר קיימים. על ידי הגברת השימוש בשיטות מדעיות פיסיקליות במסגרת מחקר ארכיאולוגי, ניתן להרחיב את היקפו והאפשרויות הגלומות בו, ואולם יש צורך בהכשרה מתאימה של ארכיאולוגיים המתחנכים באופן מסורתי בפקולטות למדעי הרוח בלבד.
פרופ' סטפן ויינר, ראש המרכז

מכון לתהודה מגנטית על שם הלן ומרטין קימל מרחיב את הביצועים הקיימים ואת המחקר החלוצי המבוצע כיום על ידי קבוצות שונות בקמפוס הפועלות בתחום חקר התהודה המגנטית. מטרתו היא זיהוי, טיפול ופתרון האתגרים בעלי ההשפעה הגבוהה ביותר המתועררים בתחום זה במהלך העשורים הבאים, תוך שיתוף פעולה עם קבוצות הפעילות בתחומים קרובים, במכון ויצמן וברחבי העולם. המכון מנהיג שיפורים דרמטיים בטכנולוגיות התהודה המגנטית, ותורם בכך תרומה חדשה ובת קיימא למדע וליישומיה הבסיסיים של התהודה המגנטית.
פרופ' לוסיו פרידמן, ראש המכון

מרכז הלן ומרטין קימל לעיצוב מולקולרי עוסק בעיצוב ומיזוג מולקולות אורגניות ואורגנומטאליות בעלי תכונות חדשות ופיתוח שיטה סינתטית חדשה. המרכז מתעסק בנושאים כתכנון ומיזוג מכלולי תיאום קושרי מתכות בעלי תכונות כימיות; ופיתוח מתודולוגיה למיזוג ושינוי מבני של מכלולים אורגניים בעלי חשיבות לתעשיות התרופות והחומרים הכימיים.
פרופ' דויד מילשטיין, ראש המרכז

מרכז הלן ומרטין קימל לחקר מדעי הננו מסייע ביצירת קשרים בין ביולוגיה מולקולרית ומדעי הננו, ותומך במעבדות הננו על-שם הלן ומרטין קימל בבניין פרלמן, הכולל מעבדות ביולוגיה מולקולרית ומעבדות לאפיון ומניפולציה של חומרי ננו. המרכז תומך גם במעבדות העוסקות במיזוג חומרי ננו ואיפיונם, ובפעילות חישוב חומרי ננו.
פרופ' רשף טנא, ראש המרכז

מרכז לביולוגיה מבנית על-שם יוסף וסיל מזר מתמקד בהבנת המבנה המוקלולרי של מאקרומולוקולות ביולוגיות, בייחוד חלבונים וחומצות גרעין, הדרך בה הם רוכשים את המבנים שלהם וכיצד משפיעים שינויים מבניים על תפקודם. הנושא הוא בעל עניין רב עבור ביולוגים משום שמאקרומולקולות מבצעות את רוב תפקידי התא.
פרופ' ציפורה שקד, ראש המרכז

מרכז מינרבה על-שם פרופ' גרהרד מ.י. שמידט לארכיטקטורה סופרה-מולקולרית מקדם את המחקר הבין-תחומי בנושאי דחיסות חומרים וכימיה מולקולרית, פיסיקה וביופיסיקה. במסגרת המרכז מבוצעים מחקרים ניסויים ותיאורטיים כאחד, בדרך כלל בצורה של תמיכה ביצירת קשרים בין מדענימכון ויצמן ובין מדענים גרמניים, סיוע לפרוייקטים קיימים ותמיכהבציוד. תחומים שנתמכו בעבר כוללים מבנה ותפקוד שכבות דקות של אברים מולקולריים כמו גם של חומרים קשים (בלתי אורגניים); לימודי ארכיטקטורה של חומרים רכים וחומרי ביו, כגון מיסלים, שלפוחיות וקרומים; ומחקרים של ממשק חומרים אורגניים ובלתי אורגניים ומסופוריים.
פרופ' דויד כאהן, ראש המרכז

מרכז לדימות ממוזער ודימות נאנו-ביולוגי על-שם ארווינג וצ'רנה מוסקוביץ מתמקד בקידום קיבולת ההדמיה של מכון ויצמן. המרכז מעודד יוזמות חדשות לשיפור טכניקות ויכולות הדמייה, ותומך ברכישת ציוד חדש ועדכני, וכן משדרג את המתקנים הקיימים.
פרופ' אבי מינסקי, ראש המרכז

מכון פרלמן למדעי הכימיה נוסד בסמוך לבנייתו של בניין פרלמן בשנת 1974.  המכון תמך במחקריו בתחום הכימיה, בייחוד חקר חומרים, פיסיקה כימיקלית, ולימודי תהודה מגנטית גרעינית.

מרכז לחקר מים ואקלים על-שם ד"ר שול תומך בחוקרים השוקדים על פרוייקטים חדשים בתחומי המים והאקלים, ובשיתופי פעולה בין קבוצות מחקר בינתחומי . מרכז ד"ר שול תומך גם בהש
פרופ' בריאן ברקוביץ', ראש המרכז

מרכז על-שם משפחת זסמן לחקר מדעי הסביבה תומך בעבודת  חברי המחלקה למדעי הסביבה וחקר האנרגיה. המחקרים כוללים מחקר ניסויי, מחקרי שדה, ולימודים תיאורטיים המתמקדים בהבנת מכלול היחסים הפנימיים בין מערכות עיקריות בכדור הארץ, ובצורך לגלות מקורות אנרגיה חדשים ובלתי מזהמים.
פרופ' דן יקיר, ראש המרכז