粒子物理研究客观世界可探测的最深层次结构、最基本的相互作用和运动规律、时空的性质及宇宙起源及演化等基本问题，这些研究所揭示的物理现象和规律会引发人类对自然认识方面深刻的革命。

物理系的粒子物理学科在上世纪八十年代提出了被誉为“Chinese Magic”的螺旋度振幅方法；该学科的博士生发表了清华博士生的首篇Physical Review Letters论文。2000年，粒子物理学科在国内牵头加入欧洲核子中心的LHCb国际合作计划，2004年成立了跨院系的高能物理研究中心，2005年由邝宇平院士牵头建立了TeV物理中国工作组，并最早组织每年一次的全国TeV物理工作组会议，至今已经成为品牌。

最近几年物理系的粒子物理学科发展较快，目前理论方面有五位教师：邹冰松（中国科学院院士）、王青、张斌、安海鹏、鲜于中之，研究方向覆盖强子物理、高能对撞机现象学、超出标准模型的新物理、粒子宇宙学、量子场论及非微扰理论等研究方向；实验方面有三位教师：陈新、胡震、高飞，参与了国际国内多项重大高能物理对撞机和非对撞机实验，包括：国内的CDEX、CEPC实验，国际的ATLAS、CMS、FASER、XENON实验，形成以粒子物理研究为核心，同时与物理系的核物理、天体物理，及凝聚态和AMO方向、工物系的核技术及工程、还有天文系的宇宙学及丘成桐数学中心的数学物理等各方向相互关联，年轻人为主的精干研究团队。