Le  CEMES couvre un large éventail d’activités scientifiques visant à la fabrication, la compréhension, la modélisation et la manipulation de la matière à l'échelle atomique. Physiciens et chimistes inventent et fabriquent des matériaux, des nano-matériaux, et des molécules présentant des propriétés spécifiques et désirées et les intègrent dans des dispositifs de démonstration.

Au CEMES, la recherche scientifique se développe au sein de trois grands groupes : Matériaux cristallins sous contraintes (MC2), Nanomatériaux (nMat) et Nanosciences(GNS).