哈尔滨工业大学理学院下设数学系、物理系、化学系，并建有哈尔滨工业大学现代光学研究所、数学研究所、应用数学研究所、仿真算法研究所、物理实验中心、凝聚态科学与技术研究所、辐射与材料研究中心、稀土材料工程中心、化学实验中心、晶体研究室、精细化工研究室、陶瓷化学研究室等。

理学院现有9个本科专业、11个硕士学位授权点和4个博士学位授权点，其中光学学科为国家重点学科，并设有"非线性光学信息处理"国家重点专业实验室、国家工科基础课程教学基地。全院现有教职工388人，其中教授64人，（博士生指导教师26人，基础学科带头人8人），副教授104人。现有学生一千余人。

理学院不仅培养从事科学基础理论与应用基础理论研究的理科人才，还培养创造性地运用科学技术理论解决工程实际问题的理工结合型人才。随着社会经济的进步与发展，人们越来越认识到自然科学在高新技术、工程乃至经济发展中的重要地位，社会对理科人才的需求日益增加。理学院毕业生一直很受用人单位的欢迎，就业渠道极其宽广，几乎涵盖所有行业。理学院特别注重学生综合素质与能力的培养，别具一格的活动让学生乐在学中，广阔的锻炼舞台让学生受益终生。理学院还设有斋藤和雄等专项奖学金。

由于扎实的理科基础，理学院学生同样受到国外知名大学的青睐，到国外深造的学生越来越多。理学院与国外许多高校、研究所有广泛的交流合作。每年来自世界各地的许多校的理、工学院保持着密切的联系。

近年来，理学院发表学术论文800余篇，四分之一以上的论文被SCI、EI和ISTP检索。理学院每年都要承担国家自然科学基金项目（2001年共承当国家自然科学基金8项）、省部级项目和横向课题数十项，多项研究成果获得国家科学技术进步奖，一批高科技成果实现了产品化、产业化，产生了很大的社会效益和经济效益。

早在上世纪60年代，哈尔滨工业大学开设了计算数学专业。1985年，在原有的计算数学专业与力学专业的基础上，组建了数学力学系，1987年正式建立了数学系。1977年开始招收数学师资班学员。1998年，根据教育部统一部署，哈工大数学系设置数学与应用数学、信息与计算科学两个本科专业。

数学系拥有“数学”一级学科博士学位授予权，1个数学博士后科研流动站，1个硕士学位数学一级学科授权点（包括纯粹数学、计算数学、概率论与数理统计、应用数学、运筹学与控制论），2个黑龙江省重点学科（基础数学、应用数学），2个黑龙江省重点本科专业（数学与应用数学、信息与计算科学）。哈尔滨工业大学数学系是七个“全国工科数学课程教学基地”之一。

经过数学系全体教师的不懈努力和不断探索，数学系建立健全了若干监督和奖惩机制，使得整体教学水平和教学效果有了大幅度提高，已形成了群体优势。数学系现有一支以中青年教师为主、结构合理的学术队伍，在职教师71人，其中教授28名，副教授25名博士生导师20名，国家教学名师1人，省教学名师2人次，省杰出青年基金1人，4人获宝钢优秀教师奖，有7人为哈尔滨工业大学教学带头人。教师的博士化率达到80%。

毕业生有10余人在国际上有重要学术影响，4人担任国内高校校长，40余人任院长或系主任。4人获得优秀博士论文，1人获得国家杰出青年基金。

数学系的两个本科专业每年共面向全国招收新生约50名，五个硕士研究生专业每年面向全国共招生约80名。同时积极开展国际交流与国际合作，与俄、美、日等多个著名高校和研究机构建立了友好合作关系。

哈尔滨工业大学物理学科创始人和领导者为我国资深女物理学家和教育家洪晶先生。早在建国初期，哈工大物理学科就在国内最早招收物理学研究生班，由原苏联专家主持联合培养研究生。马祖光院士就是由中苏联合培养的研究生之一。

在50年代初期，在物理教学体系改制主要以前苏联教育模式为样板，在50年代的末期，除了物理教学改革外，洪晶先生率先开展了半导体位错的科学研究工作。1977年国家恢复高考后，哈工大物理学科开始招收物理师资班本科生和硕士研究生。同时，物理系的教师们在洪晶先生的率领下，开展了激光全息、激光红外非线性光学等科学研究工作。1981年，哈尔滨工业大学物理学科被国务院学位办确认为国内首批博士点—光学博士点，是全国首批5个光学博士点之一，同时被确认的首批硕士点有光学硕士点。1983年设置应用物理学本科专业。1985年建立了应用物理系，其组成有大学物理、实验物理、理论物理、基础物理和现代光学5个教研室。1987年，“光学”博士点被确认为全国首批重点学科，经过多次博士点重点学科的评估，现在仍为国家重点学科。2002年，光学学科被确定为国防科工委重点学科。1999年，光学学科被批准为“长江学者”特聘教授岗位设置单位。2001年，物理系在应用物理学本科专业外，又新增设了光信息科学与技术本科专业。2003年，物理系被国家人事部批准设立了物理学博士后科研流动站。1986年，物理系新增设了粒子物理与原子核物理硕士学科点，成为国内最早从事高能重离子碰撞物理领域研究的学科。2000年，引进了凝聚态物理方向的师资，设立了凝聚态物理学科。2005年，根据学科和专业发展的需要，应用物理系被更名为物理系。2008年，教育部批准在哈尔滨工业大学物理系设立核物理本科专业。

物理系现有“应用物理学”、“光信息科学与技术”、“核物理”三个本科专业，其中“应用物理学”、“光信息科学与技术”两个专业是黑龙江省的重点专业；“核物理”专业是国家紧缺本科专业。物理系还拥有物理学一级学科硕士点、一个博士点（国家重点学科）和物理学博士后科研工作流动站。

物理系承担和完成国家重要科研项目有50余项、研究经费达1700余万元，发表学术论文500余篇（其中SCI收录论文401篇，EI收录论文259），获发明专利授权20余项。主要研究方向：光学信息处理、非线性光学、粒子物理和原子核物理、凝聚态物理等。

物理系现有教职员工110人，其中教师88人(教授33人、副教授23人、讲师32人)，教师中具有博士学位70人，博士化率达79.5%。近年来，从海外引进人才7人。

化学系由化学与应用化学教学实验室、基础化学与材料化学教研室、化学实验中心、稀土材料工程中心、精细化工研究室等部分组成。现设3个本科专业：材料化学、应用化学2个理科专业和核化工与燃料工程1个工科专业；无机化学、物理化学2个理科硕士点。还有与化工学院共同申办的“化学工程与技术”一级学科和化学原料及化学制品制造业、应用化学两个博士点。从2010年开始，化学系按“化学”类进行本科招生。从2011年起，化学系对招生的本科生按“本----硕”连读方式培养，对优秀学生实施“本--硕--博”连读方式培养。

化学系现有价值1500余万元的先进仪器设备，包括X射线分某衍射仪、色--质联用、气相色谱、液相色谱、傅里叶红外光谱、激光粒度仪、比表面孔径测试仪、原子力显微镜、电化学分析测试系统、毛细管电泳仪等。2010--2011年，又通过“985”建设经费新购置先进仪器设备价值400—500万元。已完成科研项目70多项，获国家发明二等奖1项，国家发明奖四等奖2项，省部级自然科学二等奖1项：省部级科技进步奖30余项。获得国家自然科学基金资助重点项目1项，面上项目近20余项。发表学术论文500余篇，其中已进入四检论文200余篇。出版学术专著及教材30余部。化学系与国内外同行进行广泛交流合作。参加IUPAC等大型国际会议40余人次，并有30余篇论文在会议上进行交流。已与美、英、加、俄日、香港特别行政区等10余个国家和地区的多所大学及研究机构建立了学术交流和长期合作的关系，并已有多人多次互访。化学系重视学生的素质教育，致力于全面发展的综合型人才。多年来培养的各层次学生以基础扎实、动手能力强，同时兼备良好的组织管理能力而得到社会党认可和好评。在校本科生参加“大学生科技创新计划项目”人数和项目在全校约占1/10，获奖比例逐年上升。近年来在世行贷款项目、“211工程”、“985”重点共建项目的支持下，本学科共配置了价值2000余万元的先进仪器设备，校图书馆、系统书室及各专业资料室近年投入较多经费定购大量专业图书、杂志，并能方便地进行联机检索，可为各类学生提供良好的学习环境。化学系各本科专业经多年努力形成如下优势：（1）专业方向多元化，理工结合、学科交叉特色明显。（2）实验教学中注重实验教学内容与科研项目的结合，跟踪学科前沿。（3）毕业生记有研究开发的能力，又有解决工程实际问题的能力。