针对高速铁路建造中亟待解决的关键科学技术问题，国家工程实验室的主要研究方向如下：（1）高速铁路无砟轨道关键技术；（2）高速铁路特殊土路基处理及沉降控制技术；（3）高速铁路桥梁建造成套技术；（4）高速铁路隧道设计与施工关键技术；（5）高速铁路关键工程材料及制备技术；（6）高速铁路建造数字化技术。相应的成立了五个实验室分别为高速铁路线桥隧静力实验室、高速铁路线桥隧动力学实验室、先进工程材料与耐久性实验、高速铁路先进装备实验室和高速铁路数字实验室。并建设了十大实验系统分别为岩土力学试验系统、20000KN桥梁结构试验系统、隧道围岩结构多功能静力试验系统、轨道-路基动力模型试验系统、车-线-桥模拟实验及移动测试系统、高速铁路多功能振动台试验系统、高速铁路风洞试验系统、先进工程材料与结构耐久性试验系统、高速铁路建造先进装备试验系统及高速铁路建造数字仿真试验系统。

实验室的功能和任务是提升重大科技成果的自主创新能力，积极进行产学研的合作与交流，成为为国内外相关企业提供新技术的辐射基地；建成凝聚和培养高水平产业创新技术人才的重要基地。