מרכז נלה וליאון בנוזיו לאסטרופיסיקה מקדם את המחקר באסטרופיסיקה תיאורטית וניסויית, קוסמולוגיה, ונושאים קשורים, כולל אסטרונומיה תצפיתית, אסטרופיסיקה חישובית ואסטרופיסיקה ניסויית של חלקיקים. בנוסף תומך המרכז בשיתוף פעולה עם מוסדות אקדמיים בישראל ומחוצה לה. המרכז מקיים תכנית סדנאות אסטרופיסיקה שנתיות עם מומחים מובילים מרחבי העולם לקידום פרוייקטי המחקר שלו באמצעות דיון ובחינה של הממצאים האחרונים.
פרופי אלי וקסמן, ראש המרכז

מרכז נלה וליאון בנוזיו לפיסיקה של אנרגיות גבוהות מתמקד בהבנת האופן שבו נוצרת מסת החלקיקים, אתגר היסטורי לפיסיקאים. מדענים במרכז משתתפים במאמץ העולמי לפתרון חידת מקור המסה באמצעות חיפוש אחר בוזון היגס החמקני במאיץ החלקיקים הענק לארג' הדרון קולידר (LHC), במסגרת הארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN) שבשוויץ. חוקרי מרכז בנוזיו פיתחו גלאי חלקיקים ייחודי המותקן כעת בתחנת המחקר ATLAS שב-CERN,  וצוות נוסף מפקח על השיטות הסטטיסטיות המשמשות לפענוח המידע הנאסף במסגרת פרוייקט ATLAS.
פרופ' גיורא מיקנברג, ראש המרכז

מרכז לפוטוניקה על שם קראון מקדם את חקר האור ויישומיו. מכון ויצמן הוא מהמובילים בעולם במחקר פוטוניקס בסיסי; מדענים בארבע מעבדות מנהלים מחקרים  בתחומי אופטיקה אטומית, עיבוי בוז-איינשטיין, אופטיקה אולטרה-מהירה, ואופטיקת קוונטום. פוטוניקס איפשר את גילוי קרני הגמא, את האור האולטרא סגול, האור האינפרא אדום, גלי מיקרו, וגלי רדיו, ואת  שילובם ביישומים טכנולוגיים חשובים, פרקטיים וחסכוניים, החל מביו-רפואה וכלה באמצעי בטיחות ביתיים.  יישומים אפשריים בעתיד כוללים את תחומי החישוב, האבחנה הרפואית, ההדמייה, תקשורת נתונים שבבית והגנה מבוססת לייזר.
פרופ' ירון זילברברג, ראש המרכז

מרכז יוסף ה. ובל ר. בראון למחקר תת-מיקרוני חוקר את גבולות המיזעור של מכשירים אלקטרוניים. מחקר זה מתמקד ב"אזור הדמדומים" של הפיסיקה, התחום המזוסקופי הנמצא בין העולם המאקרוסקופי (הניכר לעיין, או לעין המזויינת) ובין העולם המיקרוסקופי של האטומים הבודדים המציגים תכונות חשמליות ואופטיות עקביות בטמפרטורות נמוכות דיין. חוקרי המרכז עוסקים בתכנון, גידול מעשי, ייצור ואפיון של מערכות אלקטרוניות קטנות, הנקראים אלקטרוניקת קוונטום. לאחר גידול שכבות של גבישים מוליכים למחצה שעוביים אטומים בודדים, מדעני המרכז החזיקו לאחרונה בשיא העולמי לזיקוק גבישים של גאליום ארסניד. מוליכים למחצה תת-מיקרונים אלו עשויים להתברר כחיוניים לסוג חדש של אלקטרוניקת קוונטום, שתוביל לפיתוח שבבי מחשב קטנים ומהירים בהרבה, עבור תעשיית האלקטרוניקה המתקדמת של העתיד.
פרופ' מרדכי הייבלום, ראש המרכז

מרכז לפיסיקה ביולוגית על-שם קלור תומך בפעילויות מחקר העושות שימוש בשיטות הפיסיקה והפיסיקה הכימית לחקירת מערכות ביולוגיות. בעידודו של המרכז עובדים יחד ביולוגים, כימאים, מדעני מחשב, ופיסיקאים על מנת לחקור מגוון נושאים יסודיים בביולוגיה, ולפתח גישות חדשות לחקירתם. פרוייקטי מחקר הממומנים על ידי המרכז כללו חקירות לגבי יסודותיה של הפרעת המתח הפוסט טראומטי, תוך מדידת המסה המדויקת של יחידות המשנה החלבוניות, וחקירת הגנים המתוכנתים מבחינה טבעית להרוג בקטריות, כדי להבין את הגורמים לעמידות בפני תרופות
פרופ' מיכל נאמן, ראש המרכז

המרכז לפיסיקה ניסויית מטפח מחקר בכל תחומי הפיסיקה הניסויית, החל מההיבטים הבסיסיים ביותר של פיסיקתפיסיקת חלקיקים (המבוצעים בדרך כלל במתקנים גדולים בחו"ל) דרך מחקרים ניסויים (המבוצעים במעבדות ויצמן) לתכונות חומר בסיסיות כגון מוליכים למחצה וסופר מוליכים. המחקר במרכז מתמקד גם בפיסיקה אטומית, מולקולרית, פלזמה ואופטית, וכן מחקרים בינתחומיים של המערכות הפיסיקליות והביולוגיות.
פרופ' יוסף ניר, ראש המרכז

המרכז לנאנופיסיקה על-שם מוריס וגבריאלה  גולדשלגר מקדם מחקר תיאורטי וניסויי בפיסיקת ננו ומוזן על ידי הצלחת המחקר בפיסיקה מזוסקופית, תחום משנה של פיסיקת דחיסות חומרים העוסקת בחומרים בעלי סקאלת אורכים ממוצעת. ניתן לתאר את סקאלת החומרים הללו בין גודל כמות אטומים כגון מולקולה, ובין זה של מיקרונים מודדי חומרים.
פרופ' מרדכי הייבלום, ראש המרכז

מרכז מינרבה על-שם אלברט אינשטין לפיסיקה תאורטית מעודד מחקר ברמה גבוהה של פיסיקה תיאורטית, ובה בעת מקדם את שיתופי הפעולה הבינלאומיים של תיאורטיקנים ישראלים, תוך שימת דגש על אלו הנעשים מול מדענים גרמניים. המחקר נע החל מן ההיבטים המופשטים ביותר של תורת המיתרים, דרך אסטרופיסיקה, ועד לבעיות מעשיות בפיסיקה אופטית וסטטיסטית ופיסיקה של דחיסות חומרים.
פרופ' מרדכי מילגרום, ראש המרכז

מרכז מינרבה לפיסיקה לא ליניארית של מערכות מורכבות תומך במחקר בתחומי הדינמיקה הלא-לינארית ויישומה בתחומים השונים. נושאי המחקר העיקריים כוללים מחקר שיטתי של מערבולות, חקירות תיאורטיות וניסויים של יצירת דפוסים, וכן בחירת דפוסים והשתנות. מחקרים אלו מיושמים לגבי בעיות ספציפיות מתחומי האסטרופיסיקה, הגיאופיסיקה והביולוגיה. נחקרים מופעי הכאוס הקלאסי בתחום הקוונטום, והחלתם על פיסיקה גרעינית, אטומית, מולקולרית ופיסיקת המצב המוצק (מזוסקופיה).
פרופ' איתמר פרוקצ'יה, ראש המרכז