К научному направлению Теоретические основы металлофизики относятся два отдела:
• В отделе теории твёрдого тела занимаются развитием теории конденсированных систем, в особенности, твёрдых тел с дефектами строения (главным образом, теории несовершенных металлических кристаллов) и методов их исследования, кинематической и динамической теории рассеяния, теории фотонов в кристаллах с дефектами, теории фазовых превращений, структурных изменений и диффузии в сплавах внедрения, замещения и вычитания, развитием теоретических и эксперементальных основ новых методов диагностики на пучках синхротронного излучения. Возглавляет отдел д-р физ.-мат. наук, проф., чл.-кор. НАН Украины В.Б. Молодкин. Лабораторией синхротронных методов исследования заведует доктор физ.-мат. наук Е.Н. Кисловский. Лабораторией дифрактопографии заведует доктор физ.-мат. наук, проф. И.М. Фодчук
• Работы научных сотрудников отдела теории неидеальных кристаллов посвящены развитию теории неидеальных кристаллов (кристаллов с дефектами, сплавов, упорядочивающихся систем, интерметаллидов, аморфных веществ и др.), теории спектров элементарных возбуждений в реальных кристаллах, теоретических основ методов исследований несовершенств кристаллов и свойств систем со структурным и динамическим беспорядками. Отделом руководит д-р физ.-мат. наук, проф. М.А. Иванов.

К научному направлению Электронная структура и электронные свойства относятся семь научных подразделений:
• В отделе спектроскопии твёрдого тела под руководством д-ра физ.-мат. наук, проф. В.Н. Уварова проводятся теоретические и экспериментальные исследования электронной структуры и обусловленных ею физических свойств твёрдых тел. Исследования особенности атомного и электронного строения метастабильных структур, возникающих в поверхностных слоях металлов в результате высокоэнергетических импульсных воздействий в активных средах.
• В отделе электронной структуры и электронных свойств работами по изучению электронной структуры дефектов и их роли в формировании электронных свойств поверхности и объёма твёрдых тел руководит д-р физ.-мат. наук М.М. Нищенко.
• Основное научное направление совместной (Национальной академии наук Украины и Министерства образования Украины) научно-исследовательской лаборатории физики магнитных плёнок при Прикарпатском университете им. В. Стефаника - решение проблемы модификации физических свойств приповерхностных слоёв металлооксидных монокристаллов путём облучения средне- и высокоэнергетическими частицами и последующего отжига. Руководитель лаборатории - д-р физ.-мат. наук, проф. Б.К. Остафийчук.
• Работы сотрудников отдела спектроскопии поверхности твёрдого тела направлены на экспериментальное и теоретическое изучение физико-химической природы явлений, происходящих на границах раздела различных фаз, развитие методов исследования поверхности твёрдого тела и разработку на этой основе технологий получения новых материалов. Этот отдел возглавляет д-р физ.-мат. наук, проф., акад. НАН Украины А.П. Шпак.
• Отделом вычислительной физики руководит д-р физ.-мат. наук, проф. В.Н. Антонов. Основное научное направление отдела - развитие методов вычислительной физики и применение их для теоретического исследования электронной структуры, электронных свойств и решёточно-кристаллических свойств переходных металлов, их сплавов и соединений.
• В отделе сверхпроводимости проводят поиск новых сверхпроводников и разработку методов создания сверхпроводящих материалов, теоретические и экспериментальные исследования термодинамических и кинетических свойств аморфных и кристаллических сверхпроводящих сплавов, исследования электродинамики сверхпроводников. В последние годы основное внимание уделяется исследованию свойств высокотемпературных сверхпроводников. Руководит отделом д-р физ.-мат. наук, проф. В.М. Пан.
• Работы по исследованию механизмов пиннинга вихревых линий и природы разрушения бездиссипативного токового состояния, решение проблемы суммирования элементарных сил пиннинга в сверхпроводниках с различной степенью дефектности, изучение особенностей динамического смешанного состояния возглавляет д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Прохоров.
• В отделе сверхпроводниковой электроники проводятся теоретические и экспериментальные исследования неравновесной сверхпроводимости в туннельных структурах, изучение слабой сверхпроводимости в многослойных джозефсоновских структурах, исследование одночастичного туннелирования в плёночных структурах с пространственно неоднородными сверхпроводящими электродами, теоретические и экспериментальные обоснования принципов действия и параметров сверхпроводниковых электронных приборов, разработка физических основ технологии изготовления тонкоплёночных сверхпроводниковых структур. Руководит отделом д-р физ.-мат. наук, проф. Э.М. Руденко.

К научному направлению Физика прочности и пластичности можно отнести семь отделов:
• Отдел физики прочности и пластичности негомогенных сплавов. Основное научное направление отдела - исследование фазовых и структурных превращений в неравновесных условиях и создание на этой основе в конструкционных материалах, в частности, в титановых сплавах, структурных состояний, обладающих оптимальным сочетанием физико-механических свойств, необходимых для создания узлов и изделий авиакосмической техники. Возглавляет отдел д-р техн. наук, проф., член.-кор. О.М. Ивасишин.
• Основное научное направление отдела физики скоростного термоупрочнения сплавов - физическое металловедение метастабильных состояний, создаваемых в металлических системах средствами термической обработки, пластической деформации, легирования. Отделом руководит д-р техн. наук, проф., член.-корр. НАН Украины С.П. Ошкадёров. Заведующий лабораторией термообработки сталей и титановых сплавов д-р техн. наук Р.В. Телевич руководит работами по изучению закономерностей изменений структурных состояний при термических воздействиях и их влияния на физико-механические свойства. Теоретическими и экспериментальными исследованиями концетрационно-температурных условий морфологической стабильности фронта направленной кристаллизации монокристаллов и эвтектических сплавов с участием интерметаллидов типа АВ и A3В, а также разработкой основ технологии и необходимой аппаратуры для получения особо чистых монокристаллических материалов и направленно кристаллизованных эвтектик руководит заведующий лабораторией высокотемпературных материалов д-р физ.-мат. наук, проф. О.М. Барабаш.
• Одной из основных составляющих научных направлений отдела физических основ легировния сталей и сплавов является разработка физических основ создания нового класса конструкционных материалов - высокоазотистых сталей. Руководит отделом д-р техн. наук, проф. В.Г. Гаврилюк.
• В отделе Физики прочности и разрушения занимаются теоретическими и экспериментальными исследованиями процессов пластической деформации и разрушения металлов и сплавов на всей шкале структурных уровней протекания этих процессов. Это: атомистика деформации и разрушения нанокристаллов, влияние суб.-и микроструктуры на хрупкую прочность и вязкость конструкционных сплавов, прогнозирование предельного состояния метала при его нагружении в условиях конструкции, т.е. при сложном напряженном состоянии, концентрации напряжений, радиационном облучении и т.п. Руководит отделом д. ф.-м. н. С.А. Котречко. Работы по изучению механизма пластического течения кристаллических материалов с позиций синергетики, т.е. с учётом того, что деформируемый кристалл есть открытая диссипативная система, находящаяся вдали от термодинамического равновесия, в которой должны периодически происходить макроскопические процессы структурной самоорганизации, структурной неустойчивости, перехода к хаотическому состоянию, возглавляет д-р физ.-мат. наук, проф. Е.Э. Засимчук.
• Отделом диффузионных процессов руководит д-р техн. наук, профессор О.А. Шматко. Основное научное направление отдела - исследование диффузии и обусловленных ею физических процессов в металлах и сплавах, определяющих работоспособность металлических материалов при высоких температурах и других интенсивных внешних воздействиях.
• В отделе физики нестационарного массопереноса основным научным направлением является исследование физических закономерностей и механизма аномально высокой подвижности атомов металлов и сплавов при импульсном воздействии. Руководит отделом д-р физ.-мат. наук В.Ф. Мазанко.
• В отделе акустики твёрдого тела занимаются исследованием взаимодействия акустических волн различных частот и амплитуд с дефектами структуры кристаллической решётки в неравновесных условиях при действии внешних источников энергии. Руководит отделом д-р техн. наук Г.И. Прокопенко.

К научному направлению Фазовые превращения и фазовые равновесия можно отнести следующие шесть отделов:
• В отделе фазовых превращений основное внимание уделяется изучению кинематики и механизмов фазовых превращений и влияния различных факторов на эти превращения. В течение длительного времени большое внимание уделяется исследованию обратимой пластической деформации в сплавах с термоупругим мартенситом. Возглавляет отдел д-р техн. наук, проф., член.-кор. Ю.Н. Коваль.
• Основное научное направление отдела индуцированных мартенситных превращений - исследование условий и механизма образования и распада мартенситных фаз в сплавах на основе железа. Отделом руководит д-р физ.мат наук проф. В.Е. Данильченко.
• В отделе строения и свойств твёрдых растворов исследуются изменения атомнокристаллической структуры при фазовых превращениях разного типа (старение, мартенситное превращение, упорядочение) и влияние их на физические и механические свойства металлических твёрдых растворов; сверхтонкие и межатомные взаимодействия в сплавах железа, инварные явления, проводится анализ диффузного рассеяния рентгеновских лучей кристаллами, содержащими выделения новой фазы или планарные дефекты; разработка новых методов и аппаратуры для изучения структурных изменений при фазовых превращениях. Руководит отделом д-р физ.-мат. наук, В.М. Надутов.
• Основное научное направление отдела строения жидких и аморфных металлов - рентгенографические исследования строения жидких и аморфных металлов. Руководит отделом д-р физ.-мат. наук А.Г. Ильинский.
• В отделе кристаллизации исследуется атомная структура жидкостей и физическая природа процессов перехода их в твёрдое состояние. Отделом руководит д-р физ.-мат. наук В.В. Маслов.
• Работами по изучению особенностей процессов кристаллизации в условиях космоса руководит заведующий лабораторией космического материаловедения д-р физ.-мат.наук О.П. Фёдоров.
• В отделе фазовых равновесий, в основном, исследуются фазовые равновесия, структура и свойства (механические свойства, жаростойкость, кинетика взаимодействия с водородом) многокомпонентных сплавов на основе титана с целью разработки новых жаропрочных и конструкционных материалов. Отделом руководит д-р техн. наук В.Г. Иванченко.

Научное направление Физика поверхности объединяет два отдела:
• Отдел физики металлических поверхностей. Основное научное направление отдела - исследование процесса взаимодействия атомных частиц с поверхностью твёрдого тела и использование сопутствующих этим процессам явлений для изучения и изменения состава, структуры и физических свойств поверхности материалов. Возглавляет отдел д-р физ.-мат. наук, проф., член.-кор. НАН Украины В.Т. Черепин.
• Отдел атомной структуры и динамики поверхности. Основное научное направление отдела - исследование статических и динамических дефектов поверхности и поверхностных слоев в нанометровом диапазоне. Руководит отделом д-р физ.-мат. наук, проф. М.А. Васильев.

Конечно, группирование структурных подразделений по научным направлениям, условно. Научные проблемы, решаемые конкретными учёными, довольно часто относятся к нескольким научным направлениям.

Для реализации интересов различных структурных подразделений в институте действуют три тематические лаборатории:
– общеинститутскими работами по развитию новых электронномикроскопических методик и повышению их эффективности руководит д-р физ.-мат. наук Ю.Н. Петров;
– работами по изучению влияния условий пластической деформации и скоростной электротермической обработки на структуру и свойства металлов и сплавов, руководит канд. техн. наук В.А. Рафаловский.
– работами по совершенствованию методик определения с высокой точностью элементного состава металлических материалов руководит канд. физ.-мат. наук В.В. Дидык.

Для получения жидкого азота и жидкого гелия, необходимых для проведения научных экспериментов, в институте имеется криогенная станция.

Институт имеет учебно-научную кафедру "Физики фотонных фабрик и космической физики металлов" двойного подчинения (ИМФ НАНУ и Киевский национальный университет им. Тараса Шевченка). Руководит кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. С.П. Репецкий.