Tartu Ülikool on Eesti ainuke klassikaline universitas, kus tehakse teadustööd humanitaarteaduste ja kunstide, sotsiaalteaduste, meditsiiniteaduste ning loodus- ja täppisteaduste valdkonnas. Kõigist ülikooli uurimissuundadest saab ülevaate Tartu Ülikooli uurimissuundade töölaualt.
Sotsiaalteaduste valdkonna teadustöö keskendub ühiskondlikult oluliste küsimuste laiapõhjalisele uurimisele. Valdkonnas tegeldakse õigusteaduslike, majanduslike, haridusteaduslike ja -korralduslike, psühholoogiliste, sotsioloogiliste ja poliitikauuringutega ning meedia- ja kommunikatsiooniuuringutega. Valdkonna kolledžid Narvas ja Pärnus on olulised regionaalsed kõrghariduskeskused. Narvas on tähtis uurimissuund mitmekultuurilisus nii hariduses kui ka teistes ühiskonnaelu valdkondades, Pärnu kolledž keskendub Eesti teenusemajanduse edendamisele.
Tartu Ülikooli humanitaarteaduste ja kunstide valdkond on suurim, mitmekülgseim ja rahvusvaheliselt tunnustatuim humanitaarteaduste uurimiskeskus Eestis. Siin tegeldakse ajaloo ja arheoloogia, eesti ja üldkeeleteaduse, filosoofia ja semiootika, kultuuriteaduste ning usuteadusega. Humanitaarteaduste ja kunstide valdkonda kuuluvad ka maailma keelte ja kultuuride kolledž ning Viljandi kultuuriakadeemia.
Meditsiiniteaduste valdkonna teadustegevus jaotub kaheksa peamise teadusteema vahel, mis hõlmavad ligi 30 arstiteaduste, farmaatsia ning sporditeaduste ja füsioteraapia eriala.
Siinsed uurimisgrupid tegelevad näiteks närvi- ja vaimuhaiguste, südamehaiguste, vähkkasvajate ning nakkushaiguste uurimisega. Erilist tähelepanu pööratakse siirdemeditsiini uuringutele, millega tegelevad teadusrühmad on koondunud siirdemeditsiini tippkeskusesse. Kliinilisi teadusuuringuid aitab koordineerida kliinilise meditsiini instituudi kliiniliste uuringute keskus.
Valdkonna teadus- ja arendustöö põhisuunad on tehnika- ja täppisteadused ning eluteadused, keskkonnasäästlik energeetika, uued materjalid ja tehnoloogiad, arvutiteadus, digitehnoloogia, robootika, bio- ja ökotehnoloogia, sünteetiline bioloogia, looduse mitmekesisus, kohanemine kliima- ja keskkonnamuutustega, molekulaar- ja rakubioloogia, geneetika, genoomika, biomeditsiin ning loodusteadusi teiste valdkondadega siduv interdistsiplinaarne teadus.