La recherche au sein de FEMTO-ST est menée dans les domaines des sciences de l'ingénieur et des sciences de l'information, en cohérence avec la tradition industrielle de la Région de Franche-Comté. Elle vient de se réorganiser autour de 7 départements de recherche pour tenir compte de l'évolution scientifique et structurelle de l'Institut. Ces départements de recherche sont :
• le département Automatique et Systèmes Micromécatroniques (AS2M)
• le département Energie
le département Informatique des Systèmes Complexes (DISC)
• le département de Mécanique Appliquée
• le département Micro Nano Sciences et Systèmes (MN2S)
• le département d’Optique
• le département Temps Fréquence
Par ailleurs, des recherches pluridisciplinaires sont menées au sein de projets transverses regroupant les compétences de chercheurs des différents départements sur un thème ou un objectif précis.