电机工程学拥有许多分支学科，以下列出几种最广为人知的学科。很多电机工程师的工作只专注其中某一个分支，有些则会涉及到多个分支学科的交叠。有的领域，例如电子工程和计算机工程，则被认为是相对独立的学科。

电力电子学

地上供电网络会用到电线杆。

电力电子学主要涉及电能的生成、输送、配送几个步骤，以及一些相关设备的设计。这些设备包括交流-直流转换器(整流器、斩波器、变频器和逆变器)、变压器、发电机、继电器、特殊高压电等应用技术产品及其他电力电子学器件。大多数政府会投资建设并维护输电网络系统，以将各个大型发电机和各地电能用户连接起来。用户通过将电器连接到电网，就可以以商品的形式获得电能，而不需要自己购买发电机发电。电力电子工程师的工作主要是设计和维护电网及相连的电力系统。这种"上网"设施会给予电网额外的电能，或者会消耗电能，或者兼具这两种运作能力。另外有一类被称为"下网"的电力系统则在某些情况下优于"上网"系统，例如，在不能够连接到电网的行驶车辆上。使用卫星控制电力系统是电力电子学研究的方向之一，凭借实时反馈系统，它可以避免功率波动、降低停电事故的概率。例如，中国的北斗卫星导航系统为电力系统的自动化调度、故障录波器、继电保护、监控系统以及发电厂机组自动控制提供了一个统一授时系统，使各个子系统能够依照准确、统一的时间标准稳定工作。

控制工程

在航天飞行时，控制系统扮演关键的角色。

控制工程主要聚焦于建模复杂动态系统的可能行为和设计控制器来促使动态系统按照理想方式演进。控制工程应用广泛，例如民航飞机的飞行系统与推进系统，汽车的巡航定速系统等。发展出优良的控制理论是提升工业自动化的前提之一。工程师会利用电子电路、数字信号处理器、单片机以及可编程逻辑控制器来实现嵌入式系统。随着科技的发展，控制系统本身越来越小，功率损耗越来越低，但是功能却反而不断提升。

控制工程师在设计控制系统(control system)时经常会使用到反馈这个概念。例如，具有巡航定速功能的汽车会持续监视汽车的速度，并报告给控制系统，然后控制系统根据当前汽车的速度调整内燃机的输出功率。假若控制系统能够定时得到反馈，则可按照控制理论做出适当的反应。

电子工程

各种不同的电子组件

电子工程的范畴涵盖了对由电阻器、电容器、电感器、二极管、晶体管等电子组件构成的电子电路的设计与测试。基本的模拟电路、数字电路是构成任何现代电子信息系统的基本元素。

在第二次世界大战之前，电子工程的研究范围只是局限于各种通信技术、雷达、商用无线电以及早期的电视机技术。战后，随着消费性电子器件开始被发展，这一领域也快速扩展到现代电视机、无线电系统、计算机和微处理器。在1950年代下半叶，"电子工程"这个术语逐渐取代了"无线电工程"。

在1959年集成电路被发明之前，电子电路还是由分立的电子组件经过手工安装组成。这些分立电子电路的缺点是占用空间大、电能效率低、速度有限，但仍时常在某些特别应用区域使用。集成电路可以把大量的微电子组件(主要是微晶体管)集成到约同硬币尺寸的一个小芯片上。这也为制造当今到处可见的高功能计算机和其它电子器件提供了可能性。

微电子学

一片Intel 80486DX2微处理器

微电子学主要研究集成电路中极小尺寸电路的设计和微加工(microfabrication)。这极小尺寸电路也可以单独制为普通电子器件。最常见的微电子器件包括半导体晶体管、电阻器、电容器和电感器，它们可以被加工到微观尺寸。纳电子学更加先进，研究范围亦转向特征尺寸达到纳米级别的器件。现代的电子器件已达纳米级别，100纳米工艺技术在2002年亦已成为业界标准。

微电子器件的制造工艺流程需要对硅(在高频率场合则需要用到砷化镓、磷化铟(indium phosphide)等化合物半导体)晶圆进行物理、化学加工，以使之可以提供理想的电荷传输与电流控制(在微电子学中，并非越高越好)。在研究这些制造工艺时，需要许多化学、材料科学方面的知识，而且必须考虑电子在低特征尺寸下的量子力学效应。基础的半导体器件包括二极管、双极性晶体管、金属氧化物半导体场效应管和金属半导体场效应管等。

信号处理

感光耦合组件上的拜尔滤波器(Bayer filter)可以提供每个像素上光的红、绿、蓝颜色数值。

信号处理是指对信号的分析和控制。信号可以分为模拟信号和数字信号，其中前者随真实信息连续变化，后者则基于代表真实信息的一系列离散数值变化。模拟信号处理一般会涉及音响设备放大或过滤音频信号，电信设备调制和解调电信信号。模拟信号和数字信号能够通过模拟数字转换器、数字模拟转换器相互转化。作为现代多媒体技术的基础，数字信号处理则常常牵涉采样信号的数据压缩、检错(error detection)、纠错(error correction)，尤其是线性时不变系统理论、傅里叶变换等基本理论。

信号处理涉及到很多数学理论与大量数学运算。随着通信、控制、广播电视、电力电子学、生物医药工程等方面的发展，信号处理的应用范围不断扩大。虽然随着数字信号处理的迅速发展，很多模拟系统已被数字系统替代，但模拟信号处理仍然是许多控制系统中必不可少的部分。

数字信号处理能够在现场可编程逻辑门阵列、专用集成电路、微处理器上获得实现。在许多现代电子系统与电子产品内部都可以找到专具数字信号处理器功能的集成电路，如标准清晰度电视、高清晰度电视、无线电与行动通信器件、高保真音响设备、杜比声音降躁算法、 全球移动通信系统移动电话、 数字音频播放器、摄影机与数字照相机、汽车控制系统、静音耳机、数字频谱分析仪(spectrum analyzer)、智能火箭导航、雷达、各种各样的图像处理、视频处理(video processing)、语音处理等等。

通信工程

地面上的圆盘式接收天线是卫星通讯系统的重要装备。

远程通信主要关注信息于同轴电缆、光导纤维、自由空间等等沟道的传送。为了实现信息在自由空间中的传送，就需要将信息编码注入频率适合传送的载波里，这过程称为调制。常用的模拟调制技术包括振幅调制和频率调制两种。调制技术的选择会影响系统的成本和性能，通常工程师需要从多方面衡量这两个因素的利弊，以获得最好的效果。

一旦确定了通信系统的信息传播特性，通信工程师就就可以开始设计发送机(Transmitter)和接收机。有时，这两种装置可以组成一个双向通信系统，同时实现发送和接收的功能，此种系统则称为收发器(Transceiver)。在设计发送机时，需要重点考虑的是功率损耗，而这项参数又与其信号强度密切相关。如果发送信号的强度不够高，那么信号很可能会被噪声干扰，所需的信息便不能正确到达接收机。

随着移动电话成为人们日常生活中常见的便携设备，技术人员逐渐为之添加了很多语音通话之外的附加功能，例如短信、Wi-Fi，使得电话也成为了移动互联网设备。这些方便、快捷的服务，都基于通用分组无线服务、EV-DO或3G这类基础通信技术。目前，4G已经处于研究、测试阶段。

雷达测速装置

仪表、传感器利用物体在不同条件下表现出的不同状态来测量物理量，例如压力、温度等。由于电信号能够方便地处理(模拟信号处理、数字信号处理)，因此许多现代仪表采用电传感的原理工作。为了制造这些仪表装置，设计人员需要具备良好的物理学基础知识，特别是电磁学、材料科学、半导体物理学等子学科。例如，雷达测速计利用观察者感觉到行进中物体的频率与其波的本身频率的差别(多普勒效应)来实现测速;而热电偶则利用温差电来测量温度。

控制系统通常需要从外部获取信息，并给予外界一定的控制信号。仍以汽车为例，巡航定速系统需要使用速度传感器或速度仪表来监视汽车的运动状态，然后将此信息传递给中央处理器，中央处理器则根据驾驶者预先设定的目标速度和当前速度的差异来决定发动机工作的状态。因此，测量技术是控制工程的一个重要的组成部分，只是它更关注物理量的提取。目前，测量技术正向着小型化、快速化发展，其精度也不断提高。

计算机工程

超级计算机在计算生物学和地理信息系统中起着重要作用。

计算机工程主要是指计算机和计算机系统的设计。它包含了计算机硬件、便携式电子产品、超级计算机等的设计。计算机工程还涉及了硬件系统的软件。然而，计算机工程通常不涉及那些与硬件关联较小的应用软件设计，那些部分通常被视为软件工程的范畴。随着计算机工程的发展，专用集成电路和系统芯片等集成电路的集成规模不断提高，功能也不断增强。

集成电路的规模自出现始，就在不断增大。目前，超大规模集成电路的设计、仿真、验证都逐渐得到电子设计自动化工具的支持。设计师现在可以专注于构建电路系统的逻辑功能，而在计算机辅助下完成布线、布局、版图方面的繁琐任务。主流的硬件描述语言(如Verilog和VHDL)的功能使设计人员能够以类似计算机编程的方式来完成复杂硬件电路的设计。计算机工程专业的从业者需要有良好的电子学基础，同时还应该具备一定的计算机操作和程序设计能力。