工程热物理是一个体系完整的应用基础学科，就其主要研究领域应属技术学科，每一个分支学科都有坚实的理论基础和应用背景。工程热力学与能源利用分学科的基石是热力学第一、第二定律，目的是为从基本原理上考虑能源利用和环境问题提供理论与方法，其它分支学科在热力学定律基础上，拥有各具特色的理论和应用基础。热机气动热力学与流体机械分学科的理论基础是牛顿力学定律，传热传质分学科的理论基础是传热、传质定律，燃烧学分学科的理论基础是化学反应动力学理论等等。
1. 工程热力学与能源利用分学科
　　热力学基础研究方面，在统计热力学及分子模拟领域有两方面进展，一是分形理论等新的分析手段的引进，取得了好的效果；另一方面，统计热力学及分子模拟研究开始向实用化迈进。
　　为满足国家节能减排的重大需求，各种余热驱动、低温余热利用以及大温差的制冷循环研究不断深入，吸收、吸附式制冷循环，复叠式制冷循环以及水基有机混合物相变蓄冷等新型蓄能技术被广泛研究。热声理论得到快速发展的同时，热声制冷和热声发电技术在实验、应用方面的研究进展很快。
　　能的综合梯级利用理论不断完善和发展。分布式能源系统作为能的梯级利用技术的典型代表，在基本原理、关键技术和系统集成等全方位开展研究，为该技术产业化示范奠定了基础。化学能与物理能综合梯级利用原理的提出拓展了能的梯级利用原理，提出了化石燃料与太阳能互补的间接燃烧能量释放新机理，拓展了一系列化学能与物理能综合梯级利用系统集成的创新。
　　可再生能源与温室气体控制是能源与环境领域研究的重要主题。我国近年来经历了对各种太阳能热发电形式的关键技术研究，并启动了国家太阳能热发电技术专项研究。太阳能光催化分解水制氢研究在催化剂、制氢设备和制氢系统等方面取得实验室进展。太阳能燃料转换技术的研究有望实现实用化的太阳能燃料开发。在生物质发电、生物质制氢和液体燃料等方面也取得一定进展。我国学者首次提出了能源转换利用与CO2分离一体化原理，实现低能耗甚至无能耗分离CO2，研究制定了适合我国国情的温室气体控制技术路线。
2. 热机气动热力学与流体机械分学科
　　国际上现已采用三维粘性计算流体动力学设计航空发动机诸部件，尤其是叶轮机械设计。叶轮机械设计系统由二维、准三维、定常设计到全三维、粘性、非定常设计的过渡是学科发展的趋势。在航空发动机设计方面，上述趋势也充分体现在对风扇／压气机、对转涡沦技术和旋转冲压发动机技术的研究中。
　　从热机气动热力学角度看，未来燃气轮机的科学技术发展需要进一步研究高性能叶轮机械内部非定常复杂流场结构和机理、与气动热力学紧密相关的燃气透平叶片冷却技术及其流热固耦合机理与优化设计方法。相关工作围绕着压气机内部非定常流动及其控制结构的耦合问题、透平提高级负荷与非定常气动性能问题、透平叶片冷却及其流热固耦合基础问题，以及叶轮机械全三维设计理论及设计体系基本构架研究等科学问题展开。
　　流体机械方面的研究在透平压缩机、水轮机、泵类流体机械、风力机等方向取得较大进展，上述工作为西气东输、三峡工程、南水北调以及风力发电等国家重大工程和紧迫需要提供了技术支持。
3. 传热传质分学科
　　在导热研究方面，随着超快速激光加热技术以及MEMS/NEMS等微纳科技的发展，导热过程在时间尺度、空间尺度、环境温度以及热流密度等都在向极端状况扩展。微纳尺度下的导热规律的研究是传热学发展的新的重要研究方向，它对微纳热电转换装置等高科技产品的研发具有重要的意义。
　　对流传热的研究在保留了经典方向的深化和再认识拓展等内容之外，多趋向复杂和交叉领域。非线性问题，湍流直接模拟，微尺度、跨尺度问题是自然对流研究的主要方向。对流换热过程强化和优化的研究热点是换热器和换热网络中的场协同理论、节能型强化技术的开发，以及污垢形成机理以及新型抗垢技术。
　　辐射传热目前的发展趋势是研究内容的深化，以及趋向复杂和交叉领域，以符合航空航天、红外探测、目标与环境的红外特性、强激光及应用、功能材料制造以及生物医学等现代高新技术发展对辐射传热的需求。
4. 燃烧学分学科
　　在基础燃烧理论方面主要完善燃烧化学动力学机理，同时现阶段研究也偏重于污染物形成机理的探索和复杂机理的简化，另一方面越来越多地通过精确的燃烧过程的数值模拟来替代一般的实验性研究。根据不同的研究对象和应用领域，燃烧学分别在燃料及生物质燃烧、垃圾废弃物焚烧、火灾燃烧、燃烧诊断，以及燃烧污染物控制等方面开展了大量研究。
5. 多相流分学科
　　多相流数理模型及数值模拟方法当前的研究重点仍在两相流，三相流已在起步阶段，将逐渐成为重点。近年来单相湍流流动中兴起的细观模拟方法, 主要是直接模拟和大涡模拟，也逐渐引入到两相湍流研究。数值模拟方法在气（汽）液/液液界面、气固/液固多相流、气液固三相离散流动、双流体/多流体等方面的研究展现出新的思路和前景。此外在颗粒动力学，多相流中波的产生、传播及其不稳定性理论、多相流与传递参数测试方法等方面也开展了广泛研究，形成了有特色的研究成果。
　　从总体上看，我国工程热物理学科在热力循环开拓、叶轮机械流动理论、热声理论、太阳能和风能开发利用等研究领域已经形成了较强的国际竞争力，而整体研究水平与世界先进水平还有较大差距，主要体现在技术开发落后于理论研究，实验设备、测试手段落后，温室气体控制等能源、环境交叉领域基础理论和关键技术研究薄弱。