L'attività scientifica del Centro Fermi si svolge tramite Progetti interdisciplinari che si articolano secondo le seguenti Linee di Ricerca:

• Extreme Energy Events (EEE) – La Scienza nelle Scuole: per coniugare la ricerca scientifica più avanzata con la promozione della cultura scientifica tra i giovani tramite uno speciale progetto ideato da Antonino Zichichi nel 2004, adesso diventato Progetto Strategico del Centro Fermi.
• Tecniche Avanzate per la Fisica Fondamentale: per affrontare le problematiche della Fisica fondamentale con approcci innovativi e tecnologie d'avanguardia.
• Tecniche Avanzate per Applicazioni Biomediche: per applicare tecnologie di Fisica delle particelle e di Fisica della materia (fotonica) nel campo della diagnostica e terapia medica.
• Energia: per applicare tecnologie e metodi fisici avanzati al tema dell'energia.
• Ambiente e patrimonio culturale: per applicare tecniche e metodi fisici avanzati all’indagine su opere d’arte e su materiali di interesse artistico, ma anche alla climatologia.
• Storia della Fisica: per illustrare dal punto di vista storico e scientifico la nascita dell'Istituto Fisico di Roma in via Panisperna attraverso le opere e personalità dei suoi maggiori protagonisti, primo tra tutti Enrico Fermi, e per approfondire studi storici sui fisici italiani.