Un des grands thèmes abordés par les équipes du laboratoire est la physique des plasmas de fusion inertielle laser, sous ses différents aspects : l'interaction laser-plasma sous-dense, l'hydrodynamique des plasmas laser et les équations d'état à haute pression, la physique atomique des plasmas chauds et l'étude de leurs propriétés radiatives hors équilibre, et divers sujets liés à l'exploration des schémas alternatifs - allumage rapide & allumage par choc - dans le cadre du consortium PHARE.
La recherche conduite au laboratoire s'est toutefois largement diversifiée pour couvrir un grand nombre de thématiques liées aux plasmas chauds et à leurs applications : l'étude de la matière à haute densité d'énergie et ses débouchées en astrophysique (chocs radiatifs, jets, ...) et en planétologie (mesure du point de fusion du fer, ...) dans le cadre du groupe de recherche MHEDOC, l'étude de la matière dense et tiède (détermination des coefficients de transport dans ces domaines de température et de densité peu explorés, du pouvoir d'arrêt d'ions rapides, ..., la physique des sources intenses de particules et de rayonnement, leur optimisation et leurs applications, l'interaction rayonnement - matière et l'étude des matériaux sous choc.Cette recherche s'appuie sur le développement de nombreuses techniques expérimentales et méthodes de diagnostics aux résolutions tant spatiales que temporelles de plus en plus poussées : diffusion Thomson X, diffraction X, proton-radiographie / déflectométrie, ...