Наукові дослідження є основним видом діяльності КАУ. Основними принципами освітньої діяльності КАУ є навчання через дослідження та індивідуальний підхід. Це реалізується через спеціалізовані кафедри КАУ, що є спільними освітньо-науковими підрозділами КАУ та базових академічних інститутів: Кожен студент одразу закріплюється за науковим керівником, активно працюючим науковцем базового інституту, який здійснює супровід навчання та керує дослідницькою роботою студента.

Система спеціалізованих кафедр при базових інститутах - 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