理工結合是該系辦學的特色，該系培養的學生不僅物理、數學、外語等基礎強，而且工程素質良好。近十年來加強了電子和計算機技術技能的培養，并拓寬了專業面，使畢業生面對迅速發展的科學技術和不斷變化的人才需求，有很強的適應和競爭能力。該系已從1993級學生開始實施本碩統籌培養，每年有60%－70%的學生被免試推薦為研究生，用六年時間取得學士和碩士學位；或用九年時間取得學士、碩士和博士學位，其余學生四年本科畢業。
該系現設兩個本科專業：即工程物理專業和核工程與核技術專業，每年共招生本科150人。核工程與核技術專業還招收第二學士學位生，每年招收30人。在研究生培養方面，該系設有“核科學與技術”一級學科和下屬所有的四個二級學科，其中“核技術及應用”、“核能科學與工程”、“核燃料循環與材料”三個學科被教育部評為全國重點學科，目前在“核科學與技術”一級學科下又增設了“醫學物理與工程”和“安全科學與技術”學科方向，2005年，經學校批準，該系增設“物理學”一級學科和下屬的“粒子物理與核物理”二級學科，增設“粒子物理實驗”、“粒子物理理論”、“光子學與光量子測控”三個學科方向，具有“核科學與技術”以及“物理學”的一級學科博士和碩士學位授予權。近年來，每年招收研究生100多人，還設有“核科學與技術”博士后流動站。
經過近幾十年的發展，該系科研工作已經取得諸多矚目成就，形成發展態勢良好的科學研究格局，培養出一支以中青年教師為骨干的勇于探索、不斷進取、凝聚力強的科學研究隊伍，科研經費及人均科技效益連續幾年在清華大學名列前茅。主要研究方向有核技術應用、核燃料循環與材料、核能科學與工程、輻射防護與環境保護、儀器科學與技術、醫學物理與工程、高能天體物理、公共安全技術等。近五年來，共獲授權專利47項，獲省部級以上獎勵16項，其中大型集裝箱檢查系統項目獲2003年國家科技進步一等獎及2003年中國專利金獎。
該系現有教職工120人，其中院士2人，正高級職務29人，副高級職務34人；另外還有博士后研究人員25人，校級兼職教授17人，其中10人為中科院或工程院院士。
當前該系正在深化改革，開拓創新，努力建設成為培養創新型、復合型核與安全科學優秀人才的培養基地，為把清華大學建成世界一流的大學做出自己的貢獻。