สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติมุ่งมั่นที่จะเป็นศูนย์ความเป็นเลิศ ในการใช้ประโยชน์ของเทคโนโลยีนิวเคลียร์ในด้านหลักๆ คือสร้างความเชื่อมั่นแก่ประชาชนในความปลอดภัยของการใช้เครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียร์ การจัดการและจัดเก็บกากกัมมันตรังสี ตลอดจนการป้องกันดูแลผู้ปฏิบัติงานและประชาชนมิให้ได้รับผลกระทบจากรังสีแบ่งออกเป็น 3 กลุ่มย่อย คือ ความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การป้องกันผลกระทบจากรังสี และการจัดการและจัดเก็บกากกัมมันตรังสี ความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำการวิจัยเพื่อวิเคราะห์สถานการณ์ภายในเครื่องปฏิกรณ์ในขณะที่เกิดอุบัติเหตุ เพื่อหามาตรการในการรักษาความปลอดภัยและป้องกันไม่ให้สารกัมมันตรังสีรั่วไหลออกไปสู่ภายนอก ตลอดจนงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการประเมินความเสี่ยงและผลกระทบของอุบัติเหตุในเครื่องปฏิกรณ์ เพื่อเป็นข้อมูลประกอบการตัดสินใจในการก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัยและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ การป้องกันผลกระทบจากรังสีพัฒนาอุปกรณ์กำบังรังสีประจำตัวบุคคล เสื้อผ้าชุดปฏิบัติการสำหรับทำงานที่เกี่ยวข้องกับรังสี โดยใช้วัสดุและอุปกรณ์ที่มีในประเทศไทย และศึกษาการเคลื่อนที่ของสารกัมมันตรังสีด้วย Monte Carlo Simulations ทั้งในกรณีอุบัติเหตุทางนิวเคลียร์และการใช้รังสีทางการแพทย์ เพื่อหามาตรการความปลอดภัยทางด้านรังสี การจัดการและจัดเก็บสารกัมมันตรังสีศึกษาการจัดการและจัดเก็บสารกัมมันตรังสีระดับต่ำ ซึ่งอาจเกิดจากการทดลองภายในสถาบันฯ หรือหน่วยงานอื่นที่ใช้สารกัมมันตรังสี รวมทั้งศึกษาปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่อาจมีผลต่อการจัดเก็บกากกัมมันตรังสี เช่น ปริมาณไอโซโทปรังสีในดิน หรือในแหล่งน้ำรอบบริเวณอาคารจัดเก็บกากกัมมันตรังสีของศูนย์วิจัยนิวเคลียร์ องครักษ์
สุขภาพป้องกัน รักษา และเสริมสร้างสุขภาพ โดยทำงานวิจัยเพื่อสนับสนุนการตรวจวินิจฉัย บำบัดและรักษาด้วยเภสัชรังสีและรังสี ใช้เทคนิคทางนิวเคลียร์เพื่อช่วยส่งเสริมการใช้สมุนไพรในการเสริมสร้าง สุขภาพและความงาม ตลอดจนศึกษาการประเมินความเสี่ยงด้านสุขภาพจากการได้รับรังสีด้วยตัวบ่งชี้ ทางชีวภาพในเซลล์เภสัชรังสีและไอโซโทปรังสีพัฒนาเภสัชรังสีสำหรับรักษาโรคมะเร็งที่พบมากในประเทศไทย เช่น มะเร็งตับ มะเร็งต่อมลูกหมาก ซึ่งการพัฒนานี้รวมไปถึงการเตรียมสารไอโซโทปรังสี และการพัฒนาวิธีการวินิจฉัย นอกจากนี้ ยังมีงานวิจัยเพื่อศึกษาระบบการผลิตเครื่องกำเนิดไอโซโทปรังสี การพัฒนาเครื่องทำภาพถ่ายรังสีสำหรับสัตว์ทดลอง และสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติยังมีการเตรียมแผนงานวิจัยการใช้ประโยชน์จากเครื่องไซโคลตรอนที่มีการวางแผนจะก่อสร้างในอนาคตอีกด้วยชีววัสดุและสมุนไพรพัฒนาวัสดุอุปกรณ์สำหรับประยุกต์ใช้งานทางการแพทย์ เช่น การพัฒนาแผ่นกรองเมมเบรนแทรคเอตช์ และงานวิจัยเกี่ยวกับการใช้รังสีเพื่อเพิ่มมูลค่าให้กับสมุนไพรชนิดต่าง ๆ เช่น การใช้รังสีแกมมาเพื่อเพิ่มมูลค่ามะม่วงหาวมะนาวโห่ ตลอดจนงานพัฒนากระบวนการผลิตน้ำยางเพื่อการแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ก่อให้เกิดอาการแพ้โดยใช้ประโยชน์จากเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนและรังสีแกมมาการวิเคราะห์ผลจากการได้รับรังสีวิเคราะห์ผลดีและผลเสียต่อสุขภาพที่อาจเกิดขึ้นจากการได้รับรังสี เช่น การศึกษาผลกระทบของการได้รับรังสีด้วยตัวบ่งชี้ทางชีวภาพในเซลล์เพื่อใช้ประเมินความเสี่ยงทางด้านสุขภาพ และการศึกษาศักยภาพของรังสีต่อการเปลี่ยนแปลงสมบัติการก่อภูมิแพ้ในอาหารทะเล
