北京大学核科学与技术学科是物理学院的四个一级学科之一，现设有两个专业，分别是核技术及应用与医学物理和工程。北大核学科在新时期面向能源、先进制造和生命健康等关乎人类生存与发展的重大问题，持续探索加速器科技前沿，致力于培养具备核科学基础与技术能力、适应多学科交叉的高层次人才，同时为国家经济建设和国防事业做出贡献。本学科拥有先进的超导加速器实验室、超强激光实验室、加速器质谱实验室、中子实验室、离子束生物实验室、离子束材料实验室、医学影像实验室、离子源实验室等，还拥有2×6 MV串列静电加速器、4.5 MV静电加速器、14C专用加速器质谱计和基于RFQ加速器的中子照相装置等一批大型开放科研设备。
核技术及应用专业的研究方向包括超导加速技术与先进光源、强场物理与先进加速技术、基于加速器的核技术及应用等，其中超导加速技术与先进光源研究费方向重点开展射频超导技术及相关的应用研究，主要包括基于超导加速技术的超高亮度电子源、传导制冷超导加速技术、高品质射频超导腔及前沿应用、先进加速器光源物理与关键技术、超高亮度电子源应用等；强场物理与先进技术重点开展先进粒子加速器物理与技术研究，涉及的加速器主要有激光等离子体加速器、强流质子与重离子加速器，同时开展与上述加速器密切相关的强场物理、中子照相、强流离子源、粒子放射医疗应用等方面的研究；基于加速器的核技术及应用重点是面向先进核能系统材料的辐照损伤实验与理论研究、纳米结构与器件的辐照损伤机制、载能粒子束辅助制备纳米结构及其应用研究、中子物理与中子应用技术、面向放疗及低剂量辐射危害性的辐射生物物理研究等。
医学物理和工程专业的研究方向包括医学物理与医学影像学和医学物理与癌症诊断和治疗，其中医学物理与医学影像学重点研究与核科学相关的医学物理与医学影像学，主要包括磁共振成像技术、脑磁图技术、核医学放射医学成像技术、医学图像分析处理技术和放射治疗技术，癌症放射免疫治疗和疫苗，以及癌症早筛诊断治疗一体化芯片等研究；医学物理与癌症诊断和治疗重点研究癌症诊断和治疗方向以及太赫兹人体被动成像、高灵敏信息检测、太赫兹神经电生理、太赫兹生物效应等。
等离子体物理专业针对实验室以及自然界中的各种等离子体物理现象，围绕能源与空间开发方面的人类生存与发展的重大需求及相关国家重大科学研究计划，以聚变能源开发、地球空间环境、宇宙天体演化、高新技术产业中的等离子体物理，通过理论、数值模拟与实验观测进行深入研究。北京大学等离子体物理学科是1950年代后期根据国家核聚变研究发展的需要，在胡济民先生亲自关心和指导下发展起来的（包括当时技术物理系的核聚变教研室和物理系理论物理的磁流体力学方向），是全国高校中最早建立的等离子体物理学科之一。
随着中国于2006年正式参与国际热核聚变实验反应堆（ITER）计划，学科得到进一步加强，研究方向逐渐形成以磁约束核聚变研究为主，还包括计算等离子体物理、空间与天体等离子体物理、实验等离子体物理等，其中聚变等离子体物理主要在国家有关重大专项及国际合作专项的支持下开展聚变等离子体物理基础研究；计算等离子体物理主要基于等离子体物理的复杂性，重点从事等离子体计算与大规模计算机模拟，是高性能计算领域的重要应用方向之一，开发、改进和选用合适模拟程序在高性能计算机上进行计算和获取海量数据是分析物理规律、改进物理模型、深化物理规律认识的基础；实验等离子体物理主要基于北京大学等离子体实验装置（PPT）和国内主要托卡马克装置、基础等离子体实验设备等，开展基础等离子体物理实验、高温等离子体实验，研制主要应用于环形磁约束装置的新型等离子体磁场、电场诊断设备，探索面向未来聚变堆的等离子体诊断新原理、新技术等；空间与天体等离子体物理方向以空间和天体等离子体为研究对象，通过开展卫星及地面观测数据分析、地面实验、以及数值模拟研究，结合空间物理、天体物理和基本等离子体物理理论，进行分析综合，理解等离子体物理的基本规律，主要在等离子体磁重联、磁层物理、太阳风湍流等方面开展研究。
高能量密度物理是研究这样一种极端状态条件下（高能量密度（HED）状态是指物质的能量密度高于每立方厘米十万焦耳，或压力大于百万大气压的状态）物质结构性质、演化规律及相关物理现象本质的一门新兴前沿交叉学科。从大爆炸后的夸克-胶子等离子体到天体中的恒星、行星内部物质都处在HED状态、宇宙中发生的很多新奇现象如超新星爆发、喷流、伽马暴等都与HED密切相关、在地球内部、地幔和地核中也不断发生着HED状态下相变、成矿和复杂的磁流体力学能量交换过程、在高功率激光驱动HED条件下，发现了H2S成为超导体材料，并证实可在实验室内创造金属氢、与人来未来新能源密切相关的惯性约束核聚变和与国防安全紧密联系的武器动作经历的关键过程也都处于HED状态。高能量密度物理学科既是支撑惯性约束聚变等国家重大科学工程应用研究的基础学科，又是深化宇宙现象和地球内部结构认识、发展新型材料制备的重要交叉学科。它既具有基础科学特点，又具有很强应用背景，在国家的能源发展战略、长期可持续发展战略、以及很多先进科学技术方面都占有重要的地位。近年来，随着高功率激光器、Z箍缩等大型装置的发展，尤其是美国国家点火装置的运行和中国相关重大工程的启动，高能量密度物理已经成为当前国际最具活力的热点研究领域之一。
面向学科发展前沿，以国家重大需求和大科学工程为导向，北京大学于2018年正式设立全国第一个高能量密度物理学科，成为我国高能量密度物理领域的重要研究和人才培养基地之一。目前该学科的研究方向主要有激光等离子体物理、高能量密度极端物性及新材料、惯性约束聚变物理及实验室天体物理等，其中激光等离子体物理是激光驱动高能粒子诊断源、激光惯性约束聚变等应用领域的重要物理支撑，大能量纳秒脉冲的非相对论激光等离子体相互作用主要研究激光可控约束聚变以及极端材料加载中激光能量的传输和沉积过程，超短超强的相对论激光等离子体相互作用产生大量全新的强非线性物理现象如超强激光驱动高能粒子诊断源、X/伽玛辐射源、正负电子等离子体、量子电动力学效应等，在癌症治疗、生物照相、超快探测、材料测试等方面都有重要的应用；高能量密度极端物性及新材料主要研究纳秒激光动高压加载的物理理论、模拟手段和实验技术研究、类地行星内部结构、地幔结构等的实验室模拟研究、温稠密物质状态研究、氢及其同位素的金属化状态、高温超导等具有优异性能的高压材料及新抗辐照材料的研究等；惯性约束聚变物理主要在国家有关重大科技专项及国家大科学工程支持下开展惯性约束聚变物理基础研究，致力于培养一批国家大科学工程急需的拥有全面均衡和高水平理论、数值及实验研究能力的聚变人才；实验室天体物理已被确定为美国国家点火装置和法国兆焦耳激光装置前沿基础研究中的重要内容，研究内容包括磁重联、无碰撞冲击波、强辐射场条件下的光电离、喷流的产生和准直、不透明度、行星内部状态方程、磁场产生和放大、高能宇宙离子加速等内容。
