原子分子与光物理涵盖了原子、分子、光物理，以及光与物质相互作用的基础研究。清华大学物理系的原子分子与光物理专业方向由原子分子物理和光学两个二级学科组成，其中光学学科是国内最早的博士点之一（1981年获批），原子分子物理学科于2001年被评为国家重点学科。近年来，随着冷原子分子、激光冷却、离子囚禁等技术的发展和量子信息科技的兴起，原子分子与光物理研究迎来了空前的发展机遇。

原子分子与光物理研究强调实验与理论紧密结合。目前，各研究方向都拥有一批高水平的学术带头人和骨干力量，且近两年来研究队伍得到了显著壮大。主要研究方向包括：腔量子电动力学和光力学、原子钟和核光钟、化学物理、冷原子分子与离子、引力波探测、激光光谱和超快光谱、光与物质相互作用、量子密钥分发和量子通讯、量子精密测量、量子计算与量子模拟，以及量子光学等。