Keemia instituudis on kümme õppetooli, milles tegeletakse erinevate teadussuundadega. Töö erinevates valdkondades tagab kõrvuti kõrgtasemeliste perspektiivsete alusuuringutega (frontier research) kõrgefektiivsete materjalide ja tehnoloogiate disaini, uute efektiivsete, odavate ja keskkonnasõbralike energeetikamaterjalide, keemiliste jõuallikate (so kütuseelemendid, elektrolüüserid, superkondensaatorid, Li-ioonpatareid) komponendid, bioaktiivsete ainete ja ravimite komputeriseeritud disaini, sünteesi ja katsetamise stereoselektiivsete katalüsaatorite, sensorite (radiatsioonidetektorid, biosensorid jne) väljatöötamise ning rakendused rahvamajanduses, keskkonnaanalüüsis ja -monitooringus.
- Keemiliste ühendite struktuur, reaktsioonivõime ja nende rakendused kõrgefektiivsete materjalide ning tehnoloogiate disainis (analüütiline keemia, molekulaartehnoloogia, keemiline füüsika).
- Piirpindade ja tahkiste keemia ning materjalide arendus energiaallikate ja energia salvestuse seadmete tarbeks (füüsikaline keemia ja rakenduselektrokeemia).
- Uudsete ja praktiliselt oluliste materjalide ja bioaktiivsete ainete disain ja süntees (orgaaniline ja bioorgaaniline keemia).
- Kaasaegsete õppematerjalide loomine ja aktiivõppe meetodite rakendamine keemia õpetamises ning õppimises (anorgaaniline keemia, keemiahariduse õppetool).
- Instrumentaalsed analüüsimeetodid keskkonnamonitooringus ja materjalide uuringutes (katsekoda, analüütiline keemia, rakenduselektrokeemia, füüsikaline keemia, kolloid- ja keskkonnakeemia).
- Nanostruktuursed polümeermaterjalid, nende omadused ja rakendused keemilises tehnoloogias (anorgaaniline keemia, kolloid- ja keskkonnakeemia).