工程熱物理是一個體系完整的應用基礎學科，就其主要研究領域應屬技術學科，每一個分支學科都有堅實的理論基礎和應用背景。工程熱力學與能源利用分學科的基石是熱力學第一、第二定律，目的是為從基本原理上考慮能源利用和環(huán)境問題提供理論與方法，其它分支學科在熱力學定律基礎上，擁有各具特色的理論和應用基礎。熱機氣動熱力學與流體機械分學科的理論基礎是牛頓力學定律，傳熱傳質分學科的理論基礎是傳熱、傳質定律，燃燒學分學科的理論基礎是化學反應動力學理論等等。
1. 工程熱力學與能源利用分學科
　　熱力學基礎研究方面，在統(tǒng)計熱力學及分子模擬領域有兩方面進展，一是分形理論等新的分析手段的引進，取得了好的效果；另一方面，統(tǒng)計熱力學及分子模擬研究開始向實用化邁進。
　　為滿足國家節(jié)能減排的重大需求，各種余熱驅動、低溫余熱利用以及大溫差的制冷循環(huán)研究不斷深入，吸收、吸附式制冷循環(huán)，復疊式制冷循環(huán)以及水基有機混合物相變蓄冷等新型蓄能技術被廣泛研究。熱聲理論得到快速發(fā)展的同時，熱聲制冷和熱聲發(fā)電技術在實驗、應用方面的研究進展很快。
　　能的綜合梯級利用理論不斷完善和發(fā)展。分布式能源系統(tǒng)作為能的梯級利用技術的典型代表，在基本原理、關鍵技術和系統(tǒng)集成等全方位開展研究，為該技術產業(yè)化示范奠定了基礎。化學能與物理能綜合梯級利用原理的提出拓展了能的梯級利用原理，提出了化石燃料與太陽能互補的間接燃燒能量釋放新機理，拓展了一系列化學能與物理能綜合梯級利用系統(tǒng)集成的創(chuàng)新。
　　可再生能源與溫室氣體控制是能源與環(huán)境領域研究的重要主題。我國近年來經歷了對各種太陽能熱發(fā)電形式的關鍵技術研究，并啟動了國家太陽能熱發(fā)電技術專項研究。太陽能光催化分解水制氫研究在催化劑、制氫設備和制氫系統(tǒng)等方面取得實驗室進展。太陽能燃料轉換技術的研究有望實現實用化的太陽能燃料開發(fā)。在生物質發(fā)電、生物質制氫和液體燃料等方面也取得一定進展。我國學者首次提出了能源轉換利用與CO2分離一體化原理，實現低能耗甚至無能耗分離CO2，研究制定了適合我國國情的溫室氣體控制技術路線。
2. 熱機氣動熱力學與流體機械分學科
　　國際上現已采用三維粘性計算流體動力學設計航空發(fā)動機諸部件，尤其是葉輪機械設計。葉輪機械設計系統(tǒng)由二維、準三維、定常設計到全三維、粘性、非定常設計的過渡是學科發(fā)展的趨勢。在航空發(fā)動機設計方面，上述趨勢也充分體現在對風扇／壓氣機、對轉渦淪技術和旋轉沖壓發(fā)動機技術的研究中。
　　從熱機氣動熱力學角度看，未來燃氣輪機的科學技術發(fā)展需要進一步研究高性能葉輪機械內部非定常復雜流場結構和機理、與氣動熱力學緊密相關的燃氣透平葉片冷卻技術及其流熱固耦合機理與優(yōu)化設計方法。相關工作圍繞著壓氣機內部非定常流動及其控制結構的耦合問題、透平提高級負荷與非定常氣動性能問題、透平葉片冷卻及其流熱固耦合基礎問題，以及葉輪機械全三維設計理論及設計體系基本構架研究等科學問題展開。
　　流體機械方面的研究在透平壓縮機、水輪機、泵類流體機械、風力機等方向取得較大進展，上述工作為西氣東輸、三峽工程、南水北調以及風力發(fā)電等國家重大工程和緊迫需要提供了技術支持。
3. 傳熱傳質分學科
　　在導熱研究方面，隨著超快速激光加熱技術以及MEMS/NEMS等微納科技的發(fā)展，導熱過程在時間尺度、空間尺度、環(huán)境溫度以及熱流密度等都在向極端狀況擴展。微納尺度下的導熱規(guī)律的研究是傳熱學發(fā)展的新的重要研究方向，它對微納熱電轉換裝置等高科技產品的研發(fā)具有重要的意義。
　　對流傳熱的研究在保留了經典方向的深化和再認識拓展等內容之外，多趨向復雜和交叉領域。非線性問題，湍流直接模擬，微尺度、跨尺度問題是自然對流研究的主要方向。對流換熱過程強化和優(yōu)化的研究熱點是換熱器和換熱網絡中的場協同理論、節(jié)能型強化技術的開發(fā)，以及污垢形成機理以及新型抗垢技術。
　　輻射傳熱目前的發(fā)展趨勢是研究內容的深化，以及趨向復雜和交叉領域，以符合航空航天、紅外探測、目標與環(huán)境的紅外特性、強激光及應用、功能材料制造以及生物醫(yī)學等現代高新技術發(fā)展對輻射傳熱的需求。
4. 燃燒學分學科
　　在基礎燃燒理論方面主要完善燃燒化學動力學機理，同時現階段研究也偏重于污染物形成機理的探索和復雜機理的簡化，另一方面越來越多地通過精確的燃燒過程的數值模擬來替代一般的實驗性研究。根據不同的研究對象和應用領域，燃燒學分別在燃料及生物質燃燒、垃圾廢棄物焚燒、火災燃燒、燃燒診斷，以及燃燒污染物控制等方面開展了大量研究。
5. 多相流分學科
　　多相流數理模型及數值模擬方法當前的研究重點仍在兩相流，三相流已在起步階段，將逐漸成為重點。近年來單相湍流流動中興起的細觀模擬方法, 主要是直接模擬和大渦模擬，也逐漸引入到兩相湍流研究。數值模擬方法在氣（汽）液/液液界面、氣固/液固多相流、氣液固三相離散流動、雙流體/多流體等方面的研究展現出新的思路和前景。此外在顆粒動力學，多相流中波的產生、傳播及其不穩(wěn)定性理論、多相流與傳遞參數測試方法等方面也開展了廣泛研究，形成了有特色的研究成果。
　　從總體上看，我國工程熱物理學科在熱力循環(huán)開拓、葉輪機械流動理論、熱聲理論、太陽能和風能開發(fā)利用等研究領域已經形成了較強的國際競爭力，而整體研究水平與世界先進水平還有較大差距，主要體現在技術開發(fā)落后于理論研究，實驗設備、測試手段落后，溫室氣體控制等能源、環(huán)境交叉領域基礎理論和關鍵技術研究薄弱。