ORNL的任务是开展基础和应用的研究与开发，提供科学知识和技术上解决复杂问题的创新方法，增强美国在主要科学领域里的领先地位;提高洁净能源的利用率;恢复和保护环境以及为国家安全作贡献。
随着现代设施的建设使前沿研究成为可能，ORNL正在对未来的大科学任务进行重新定位，涉及先进的计算、先进材料、生物系统、能源科学、纳米技术、国家安全、中子科学、研究设施和其他有关的研究领域。
ORNL从事跨越广泛领域科学学科的研发活动，ORNL在许多科学领域处于国际领先地位。它主要从事以下科学领域的研究，包括中子科学、复杂生物系统、能源、先进材料、国家安全和高性能计算等。
1、中子科学
2、生物系统
3、能源
·生物能项目
·电力传输技术技术
·能源效益和电力技术
·能源效率和可再生能源(EERE)
·工业技术项目
·美国参与国际热核聚变实验堆项目
4、先进材料
·催化作用基础和应用研究中心
·结构材料缺陷物理中心
·纳米材料科学中心
·高温材料实验室
·工业技术项目
5、国家安全
6、高性能计算
7、纳米技术
·生物和纳米尺度系统组
· 纳米应用中心
- 超导线(Superconducting Wires)
ORNL通过绝缘纳米点的三维自组装研制出高温超导线。分布在厚膜超导第二代线的整个厚度上的纳米点阵列作为有效磁通钉扎中心，满足了最实际的功率应用的要求。2006年，该项成就作为"最佳之最佳"被《纳米技术摘要》专业杂志授予国际纳米技术50强奖。2008年，该实验室的Amit Goyal博士因开发区出此项技术获得发明者奖。
- 诊断(Diagnostics)
ORNL正在开发和实施直接操纵转录过程的纳米结构器件 – 凭借转录过程，细胞内的基因可通过电子控制被诱导或压抑。该方法是利用细胞渗透纳米电极作为细胞界面的纳米功能，使拴系的遗传物质可被引入到一个细胞和通过多尺度设备平台应用的外部刺激进行监管。该研究平台是一个包括了解在一个单细胞内单个基因功能广泛应用的有力工具。
- 纳米发酵(Nanofermentation)
纳米发酵采用自然金属还原菌株创造定制的各种重要工程材料的单晶纳米颗粒。细菌可以在工业生物加工中用于制造混合金属氧化物的发现，取得了大规模纳米粉体合成的突破。颗粒的大小和形态可由集中方法加以控制，包括温度、孵化时间和选择电子供体或某些化学添加剂。
采用熟悉、成熟的工业设备和简单的发酵做法，纳米发酵在室温或接近室温进行。该菌株是完全自然的，并不危险。操作过程可在使产品符合特殊需要的广泛条件下进行，并可容易地按比例增加。纳米发酵产生广泛成分的极其细微，控制良好并具有很强的结晶产品。
- 纳米强化合金(Nano-Strengthened Alleys)
ORNL的革命性的快速红外线加热过程控制在纳米级晶粒细化到生产具有优越的抗拉强度和抗疲劳性能的高性能锻件。ORNL正与锻造业协会一起使这个研发100大奖获奖技术实现商业化。
- 超疏水材料(Superhydrophobic Materials)
ORNL开发了具有通过减少摩擦和减少腐蚀，以减少能量损耗潜力的超疏水(防水)纳米结构材料。ORNL正致力于将超疏水氧化物为基础的粉末商业化。这种粉末具有精确重复和每个粒子表面有高度统一尺寸的纳米特性。
这些功能都涂有一个含氟化合物处理单层。这些超防水材料有许多一般的和高级的用途，包括针对减阻和强化传热的节能应用、新型传感器和生物医学的应用。ORNL目前正在努力提高粉末的质量和开发粘结剂系统。
- 实时表征(Real–Time Characterization)
ORNL开发了一种技术，利用商用微分迁移率分析仪实时抽样气相工艺生产的纳米颗粒。已对金属氧化物颗粒和碳纳米材料的生产工艺进行了演示。该系统在Luna nanoWorks公司的等离子体电弧反应器上进行了试验。
·纳米尺度科学和设备组
纳米尺度科学和设备组是ORNL生物科学部的一部分。其研究领域包括:吸收引起的应力、纳米电子机械系统和微电子机械系统传感器、纳米尺度分子力学、接口的物理和化学、扫描探针显微镜和分子梳。
通过开展这些领域的研究，建立一个许多传统上单独的科学领域令人兴奋的融合基础，分子生物学，流体力学，量子力学和光子学之间一度明显的边界划线被跨越。所取得的技术进展有可能造福人类，从对癌症的改进检查和治疗，地雷的探测，人工恢复视觉和听觉受损的视力和听力，到保护平民和部队防止常规武器以及核武器和生化武器的袭击。
·生物和纳米尺度组
生物和纳米尺度组的纳米技术研究包括以下几个项目:利用纳米类似物的纳米传感和驱动;生物功能表面分子尺度通过扫描探针光刻;和生物分子接口纳米尺度设备图案化。这些项目针对设计，建造和实施对接口、模仿或表征生物系统有用的纳米结构。
8、其他研究领域
除主要的重点领域之外，ORNL还在以下科学领域开展世界一流水平的研究:
·化学科学领域
ORNL采用实验、理论和计算的方法开展化学的基础和应用研究，包括:化学生物科学、流体界面反应、结构和运输、地球化学与水溶液化学、多种多样催化作用、 激光光谱学、质谱测定法、材料化学、分子变换和燃料化学、 中子科学、聚合物，合成与表征、 放射性材料表征、分离化学、表面科学与界面化学、以及理论、建模和模拟。
·核物理领域
研究的重点领域是，在实验方面，重点放在重离子和原子物理;在理论研究上，重点放在核物理、天体物理和核 - 粒子界面的物理。
