Наукова діяльність є основним видом діяльності КАУ, а також підгрунтям для реалізації базового принципу освітньої діяльності КАУ - "навчання через дослідження".

Навчання через дослідження реалізується на трьох основних рівнях:
- через наукових керівників;
- через викладачів-науковців на кафедрах КАУ;
- через центри досліджень КАУ.

Кожен студент, за власним вибором, закріплюється за науковим керівником, активно працюючим науковцем базового інституту кафедри або інших інститутів НАН України, який, через власні дослідження, долучає студента до "живої" науки та допомагає сформувати індивідуальну наукову траєкторію. Науковий керівник також допомагає сформувати індивідуальний навчальний план - радить студенту курси, як серед дисциплін за вибором базової кафедри, так і інших кафедр КАУ та наукових установ світу.

Кафедри КАУ є спільними освітньо-науковими підрозділами КАУ та базових академічних інститутів... Це система дослідницького навчання ("система фізтеху"), яку КАУ успадкував від ФТННЦ та надалі розвиває, доповнюючи власними науковими проектами та Центрами досліджень.

Центри досліджень є структурними підрозділами КАУ, що утворюються на тимчасовій основі для проведення наукових досліджень з особливо актуальних сучасних наукових напрямів, які мають проривний характер та визначатимуть світові пріоритети розвитку наукової галузі найближчим часом. Центри досліджень створюються як спільні структурні підрозділи КАУ та кількох наукових установ НАН України на міждисциплінарній основі. До роботи Центрів досліджень можуть також залучатися співробітники інших вищих навчальних закладів та наукових установ.

Наразі функціонують чи в процесі становлення наступні центри КАУ:

Ukrainian-German Excellence Center - UKRATOP

Центр дослідження даних

Центр квантових матеріалів та технологій

Лабораторія електронного приладобудування

Центр інновацій