З часу заснування викладачі та аспіранти кафедри математичної фізики активно проводять наукові дослідження з актуальних напрямків математики. В даний час на кафедрі розвиваються наукові дослідження з таких напрямків: теорія крайових задач математичної фізики; аналітичні методи теорії диференціальних рівнянь з частинними похідними; теорія наближених методів розв’язання крайових задач математичної фізики; сучасні інформаційні технології.
Кафедра підтримує тісні наукові зв’язки з Інститутом математики НАН України, Інститутом прикладної математики і механіки НАН України, Інститутом кібернетики імені В.М.Глушкова НАН України, ІППММ імені Я.С.Підстригача НАН України, а також з університетами Санкт-Петербургу, Московським державним університетом імені М.В.Ломоносова, Математичним інститутом імені В.А.Стєклова РАН, Інститутом математики НАН Білорусії, Білоруським державним університетом, Львівським національним університетом імені Івана Франка, Харківським національним університетом імені Каразіна, Дніпропетровським державним університетом, Херсонським національним технічним університетом та іншими.
В 1998–2011 роках співробітниками кафедри опубліковано понад 250 наукових та навчально-методичних праць, серед яких 6 навчальних посібників, 28 методичних розробок та зроблено біля 150 доповідей на наукових конференціях.
На кафедрі постійно працює науковий семінар “Асимптотичні та аналітичні методи для задач математичної фізики”. Керівники - професори Самойленко В.Г. і Мельник Т.А.