物理与天文学系有三个广泛的研究领域：凝聚态物理，包括硬凝聚态、量子材料、软凝聚态、生物物理学和生命物质的实验和理论工作;天文学，宾夕法尼亚大学包括实验理论和实验天文学，暗能量和暗物质，银河系观测和建模以及太阳系外行星搜索;粒子物理学，在实验方面包括ATLAS的希格斯和SUSY搜索，以及低能和高能中微子物理学与SNO+，T2K和DUNE等实验，在理论方面包括弦理论和现象学，场论的广泛和深入探索，以及对宇宙学的影响。
一、天体物理学和宇宙学（Astrophysics and Cosmology）
包括实验理论和实验天文学，暗能量和暗物质，银河系观测和建模以及太阳系外行星搜索。主要研究领域包括：
早期宇宙理论;
宇宙加速的方法，包括修正引力;
暗物质和暗能量的性质，以及它们对星系形成的影响;
对宇宙中瞬态现象的观测;
探测附近恒星周围的行星和行星形成系统等。
二、 凝聚态物质（Condensed Matter）
凝聚态物理学家研究物质的各种凝聚态，从液体到结晶固体，从薄膜到制造或化学合成的纳米结构，从量子霍尔电子气体到超导体，从碳纳米管到液晶，从无定形结构到复杂流体。宾夕法尼亚大学的凝聚态研究围绕三个广泛定义的组织：量子物质，软物质和生命物质。
三、粒子物理学（Particle Physics）
该领域分为理论组和实验组
宾夕法尼亚大学的高能理论小组研究自然的基本力量，早期宇宙学和数学物理学。宾夕法尼亚大学理论小组是世界上为数不多的将高能理论的形式方面广泛发展与关注自然界中发现的真实现象相结合的机构之一。
高能物理实验小组致力于各种实验，旨在了解亚原子现象的基本结构。参与的主要实验有大型强子对撞机的ATLAS对撞机实验；SNO+无中微子双β衰变搜索和其他太阳能、反应堆和地地中微子物理学等。
