La fisica nucleare si occupa dello studio delle interazioni fra i costituenti del nucleo atomico (protoni e neutroni, detti nucleoni) e fra i costituenti dei nucleoni stessi.

La fisica nucleare può essere suddivisa in fisica della struttura nucleare, che comprende teorie riguardanti la formazione, la coesione e le proprietà  statiche misurabili dei nuclei (come la loro massa, i loro livelli energetici, i decadimenti), e fisica delle reazioni nucleari, che studiano i processi in cui i nuclei interagiscono collidendo e formando così altri nuclei, fondendo, frammentandosi, producendo ed emettendo particelle.

Le informazioni sulla struttura pervengono quasi unicamente dallo studio delle reazioni e dei decadimenti (naturali o indotti in laboratorio). Le reazioni nucleari che si manifestano in natura sono i decadimenti radioattivi o trasmutazioni e le reazioni termonucleari che avvengono nelle stelle, generando luce, calore e altre radiazioni. In laboratorio si utilizzano acceleratori di particelle per studiare le reazioni nucleari, per ricreare le condizioni del plasma stellare o quelle del plasma ancor più caldo che avrebbe costituito l'universo pochi microsecondi dopo la sua formazione.

In particolare l'INFN si dedica attualmente a:

• Ricerche sulle dinamiche dei quark e degli adroni, che prevedono esperimenti sullo spin e sulle risonanze nucleoniche, studi sull'effetto del mezzo nucleare, spettroscopia ipernucleare e studio degli atomi pionici e kaonici (esperimenti presso i Laboratori Nazionali di Frascati, il CERN ed il Thomas Jefferson Laboratory);
• Transizioni di fase della materia nucleare e adronica: dalle transizioni di fase liquido-vapore alle transizioni tra materia adronica e plasma di quark e gluoni. Rientrano in questa linea, gli studi sul deconfinamento dei quark (esperimenti al LHC del CERN).
• Struttura nucleare e dinamica delle reazioni, con studi sulla fissione e sulla fusione, la produzione e lo studio di nuclei esotici lontani dalla regione di stabilità, la spettroscopia gamma e i fasci di ioni radioattivi (esperimenti ai Laboratori Nazionali di Legnaro e ai Laboratori Nazionali del Sud).
• Astrofisica nucleare e ricerche interdisciplinari, che prevedono misure di sezioni d'urto d'interesse astrofisico e per scopi applicativi (tecnologie nucleari emergenti, fisica medica).