西安光机所主要研究领域包括基础光学、空间光学、光电工程，主要研究方向包括瞬态光学与光子学理论与技术、空间光学遥感技术、干涉光谱成像理论与技术、光电信息技术。研究所有一个国家重点实验室、两个中科院重点实验室，分别是瞬态光学与光子技术国家重点实验室、中国科学院超快诊断技术重点实验室、中国科学院光谱成像技术重点实验室；另有若干研究单元，以及检测中心、系统工程部等完整的技术支撑体系。