Напрями науково-дослідної роботи кафедри відрізняються великою різноманітністю. Об'єктами дослідження виступають фізичні, математичні, економічні, соціальні системи тощо. Під керівництвом викладачів та аспірантів кафедри працюють студенти різних спеціальностей, які щорічно представляють 15-25 доповідей на науково-технічних конференціях у СумДУ та інших вищих навчальних закладів, а також декілька доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях. Викладачі та аспіранти кафедри щорічно публікують наукові статті у фахових журналах та збірках наукових праць, у тому числі статті, що обліковуються у базі даних Scopus.

Щорічно студенти спеціальності приймають участь у Всеукраїнському конкурсі студентських наукових робіт за напрямами «Інформатика та кібернетика», «Математичні науки», «Фізика», «Інформаційна безпека», «Математичні методи, моделі в економіці» та «Військові науки».

Напрями наукових досліджень кафедри:

1. Статистична теорія та молекулярна динаміка нерівноважних нелінійних систем (проф. Хоменко О.В.).
2. Моделювання нелінійних процесів у релятивістських плазмовоподібних системах (проф. Лисенко О.В.)
3. Процеси формування наноструктурних плівкових систем, дослідження нанокристалічних плівок боридів, нітридів та боридонітридів перехідних металів (проф. Гончаров О.А.).
4. Моделювання процесів у складних системах спеціального призначення (доцент Коплик І.В.).
5. Формування та вивчення структурно-морфологічних властивостей пористих наносистем металів та вуглецю, сформованих в умовах близьких до термодинамічної рівноваги (доцент Корнющенко А.С.).
6. Дослідження процесів упорядкування та структуроутворення у складних просторово-розподілених системах (ст. викладач Дворничено А.В.).
7. Еліпсометричні дослідження поверхонь аморфних сплавів (доцент Карпуша В.Д.).

Останні захищені дисертації:

• Волк Ю. Ю. Мультигармонічні двопотокові супергетеродинні ЛВЕ з гвинтовими електронними пучками. Науковий керівник – О.В. Лисенко. 2019 р.
• Бадалян А.Ю. Формування та режими руху ансамблів наночастинок в рамках статистичної теорії. Науковий керівник – О.В. Ющенко. 2018 р.
• Трощенко Д.С. Нерівноважна еволюційна термодинаміка фрагментації металів з урахуванням стохастичності. Науковий керівник – доктор фіз.-мат. наук, професор кафедри ПМтаМСС СумДУ, Хоменко О. В. 2018 р.
• Ляшенко Я. О. Фазові переходи між кінетичними режимами межового тертя. Науковий консультант – доктор фіз.-мат. наук, професор кафедри ПМтаМСС СумДУ, Хоменко О. В. 2017 р.
• Олексієнко Г. А. Мультигармонічні взаємодії у плазмово-пучкових супергетеродинних лазерах на вільних електронах із гвинтовими електронними пучками. Науковий керівник – доктор фіз.-мат. наук, професор, завідувач кафедри ПМтаМСС СумДУ, Лисенко О. В. 2017 р.
• Шовкопляс О. А. Вплив умов формування та терморадіаційної обробки на структуру й властивості покриттів систем Ti-W-C і Ti-W-B. Науковий керівник – доктор фіз.-мат. наук, професор, Соболь О. В. 2016 р.
• Заскока А. М. Фазові переходи в ультратонких твердоподібних плівках мастила при межовому терті. Науковий керівник – доцент, кандидат фіз.-мат. наук, Я. О. Ляшенко. 2016 р.
• Манько Н. Н. Синергетическое представление прерывистого режима граничного трения. Науковий керівник – доцент, кандидат фіз.-мат. наук, Я. О. Ляшенко. 2015 р.
• Швець У.С. Вплив пластичної деформації та іонного опромінення на аморфізацію та оптичні властивості сплавів на основі Fe і Ni. Науковий керівник – доц. В. Д. Карпуша. 2014 р.
• Проданов М.В. Атомістичне моделювання трибологічних явищ у нанорозмірних системах, що містять вуглецеві поверхні. Науковий керівник – проф. О. В. Хоменко. 2012 р.