يعد قسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة بنسلفانيا مؤسسة رائدة عالميًا ويُنظر إليها بشكل عام على أنها من أفضل الأماكن لطلاب الدراسات العليا للحصول على درجة الدكتوراه. يجمع طلاب الدراسات العليا في جامعة بنسلفانيا بين فترة قصيرة من الدورات الدراسية والأبحاث الأصلية المستقلة التي تشكل أساس أطروحتهم وعادةً ما تكون منشوراتهم الأولى. برنامج غني من الندوات والندوات من قبل متحدثين مدعوين من جميع أنحاء العالم يكمل ما يتعلمه الطلاب في الفصول الدراسية وأثناء أنشطتهم البحثية.
تشمل مجالات البحث الأولية العمل النظري والتجريبي المتميز في كل من فيزياء المواد المكثفة الصلبة واللينة، وغالبًا ما يتم ذلك بالتعاون مع المدارس والأقسام الأخرى في بنسلفانيا، مع وجود بعض المختبرات في مركز سينغ لتقنية النانو في بنسلفانيا ومعهد بنسلفانيا. مختبر لأبحاث بنية المادة. تنقسم الفيزياء الحيوية في جامعة بنسلفانيا أيضًا بين العمل النظري المتقدم والعمل المختبري العملي، وتشمل نظريات الشبكات المعقدة وبعض البصريات الغريبة للأنظمة البيولوجية.
تقوم مجموعتا الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات لدينا باستكشاف بنية الكون وتطوره، وإجراء عمليات بحث عن الكواكب الخارجية، ودراسة تكوين المجرات. تشمل الجهود في علم الكونيات نماذج نظرية لتسريع الكون وخصائص المادة المظلمة، وملاحظات حول بنية الكون ودراسات المادة المظلمة باستخدام عدسة الجاذبية مع مسح الطاقة المظلمة وفي النهاية تلسكوب المسح السينوبتيكي ذو الفتحة الكبيرة، و دراسات الخلفية الكونية الميكروية باستخدام التلسكوبات في أماكن مثل جبال الأنديز التشيلية والقطب الجنوبي. تشمل جهودنا في مجال الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات أيضًا العمل النظري الأساسي مثل نظرية الأوتار، بالإضافة إلى العمل التجريبي في مصادم الهادرونات الكبير في CERN وتجارب النيوترينو المختلفة في جميع أنحاء العالم. تتضمن جهود المصادم دراسات عن بوزون هيجز المكتشف مؤخرًا، بالإضافة إلى البحث عن التناظر الفائق، ويتضمن عملنا في مجال النيوترينو بحثًا عن نيوترينوات ماجورانا وانتهاك CP في تذبذبات النيوترينو.
تستفيد جهودنا التجريبية في مجال الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات من مجموعة الأجهزة ذات المستوى العالمي التابعة لـ Penn، مما يمنح الطلاب القدرة على استكشاف أفكار جديدة إبداعية في كل من الأجهزة وفي أعمال تحليل البيانات الخاصة بهم.