Narodowe Centrum Badań Jądrowych prowadzi badania podstawowe i stosowane w dziedzinach: fizyki jądrowej niskich i wysokich energii, fizyki cząstek elementarnych, promieniowania kosmicznego, fizyki plazmy, fizyki i techniki akceleratorów, fizyki i techniki reaktorów jądrowych, energetyki jądrowej, badań materiałowych, dozymetrii promieniowania jonizującego, detektorów promieniowania i elektroniki jądrowej, oceny i prognozowania zagrożeń od obiektów jądrowych i przemysłowych, metod unieszkodliwiania i składowania odpadów toksycznych i promieniotwórczych oraz wypalonego paliwa jądrowego, zastosowań technik jądrowych w medycynie i ochronie środowiska. Instytut eksploatuje jedyny w Polsce jądrowy reaktor badawczy MARIA, który służy m.in. do wytwarzania izotopów promieniotwórczych, radiacyjnej modyfikacji materiałów oraz badań na wiązkach neutronów. Zakład Aparatury Jądrowej NCBJ jest jednym z kilku na świecie producentem aparatury do diagnostyki i terapii nowotworowej, m.in. akceleratorów elektronów, symulatorów rentgenowskich i stołów terapeutycznych. Ośrodek Radioizotopów POLATOM NCBJ, prowadzi działalność badawczą, wdrożeniową, produkcyjną, usługową i handlową w zakresie preparatów promieniotwórczych, radiofarmaceutyków i leków izotopowych, zestawów immunodiagnostycznych, związków znakowanych oraz źródeł i roztworów wzorcowych. Główne kierunki działalności badawczej OR POLATOM to: radiochemia, chemia analityczna, biochemia medyczna, metrologia promieniowania jonizującego oraz technologie wytwarzania radiofarmaceutyków, zestawów immunodiagnostycznych i zamkniętych źródeł promieniotwórczych. Dział Edukacji i Szkoleń NCBJ prowadzi zajęcia (wykłady, prezentacje) dla szkół i nauczycieli oraz studentów kierunków przyrodniczych na wyższych uczelniach.
