Основними напрямами науково-технічної діяльності Інституту є:

• Теплофізичні дослідження процесів у теплоенергетичному устаткуванні та розробка методів підвищення його економічності та екологічної безпеки.
• Теорія теплообміну і процеси передачі та використання теплоти в машинах і апаратах нової техніки.
• Тепломасоперенос та нові енергоощадні і ресурсозберігаючі теплотехнології.
• Теорія вимірювання теплових величин та створення нових теплофізичних приладів і систем.

Відповідно до Основних напрямів науково-технічної діяльності ученими Інституту проводяться науково-дослідні роботи щодо:

• розвитку теорії теплофізичних процесів в об'єктах промислової та муніципальної енергетики, системного аналізу стратегічних варіантів модернізації цих галузей;
• розробці наукових основ і методів підвищення ефективності використання палива в енергетиці шляхом комбінованого виробництва теплової та електричної енергії в системах теплопостачання;
• розвитку загальної теорії турбулентного теплообміну в ускладнених умовах, типових для теплоенергетичного обладнання, створення наукових основ та методів теплового захисту високотемпературних установок;
• дослідження механізму та закономірностей процесів перенесення при змінах агрегатного стану теплоносіїв в елементах енергетичного устаткування;
• теплофізичних досліджень робочих процесів в обладнанні атомної енергетики, розробки методів підвищення його надійності та екологічної безпеки, а також методів прогнозування термогазодинамічних явищ при захороненні радіоактивних відходів атомних електростанцій;
• розробки теоретичних основ тепломасообміну в умовах дискретно-імпульсного введення енергії в дисперсні середовища та створення на цій основі принципово нового класу технологій;
• дослідженню фундаментальних проблем нестаціонарного перенесення теплоти та речовини в капілярно-пористих і колоїдних тілах та реологічних системах за наявності фазових та хімічних перетворень;
• дослідження основ інтенсифікації тепломасопереносу та розробці ефективних теплотехнологій в хімічній, харчовій, переробній і мікробіологічній промисловості та  промисловості будівельних матеріалів; 
• дослідження тепломасообмінних процесів при зміні агрегатного стану речовини, створенню абсорбційних холодильних установок, що працюють в режимах холодильної машини та теплового насоса; 
• створення приладів та вимірювальних систем для контролю складу відхідних газів (димів) в енергетичному обладнанні, хімічного та механічного недопалу та оптимізації процесу горіння в топках енергетичних та опалювальних агрегатів;
• створення високоточних вимірювальних приладів та систем для проведення теплових вимірювань в об'єктах муніципальної енергетики;
• створення ефективних систем газоочищення та  пристроїв утилізації теплоти.