中科院依托相关国家重大科技基础设施并牵头重大国际合作，在强子物理、核物理、中微子物理、高能量前沿等方面取得一系列具有国际影响力的科学成果。
1990年以来，高能所依托北京正负电子对撞机（BEPC）、北京谱仪（BES）实验精确测量了τ轻子质量及R值，发现了X(1835)新粒子。2013年，北京谱仪Ⅲ实验发现了“四夸克物质”Zc（3900），是对传统夸克模型中物质只含两个或三个夸克的重大突破，在美国物理学会《物理》评出的当年度物理学领域11项重要成果中位列榜首。
1992年，利用兰州重离子研究装置，上海原子核所获得了新核素铂-202，这是中国科学家首次合成的新核素。20世纪90年代以来，近代物理所合成了34种新核素，首次高精度测定一批短寿命原子核质量，建成国际核质量数据评估中心。这些新核素的产生是中国科学家在远离稳定线核的合成和研究中取得的重大成果。
2011年，上海应物所在参加RHIC-STAR核物理国际合作研究中，与美国科学家合作，为首次发现迄今最重的反物质粒子——反氦核，发挥了关键作用。
2012年，由高能所牵头的国际合作研究团队在大亚湾反应堆中微子实验发现了中微子振荡新模式，精确测得中微子混合角θ13值，标志着我国中微子实验研究从无到有步入世界前列。该成果入选美国《科学》2012年十大科学突破，获2013年度中国科学院杰出科技成就奖、2016年度国家自然科学奖一等奖、2016年度国际基础物理学突破奖。
由高能所、中国科大牵头的中国研究团队在2012年欧洲核子中心大型强子对撞机国际合作实验中，为发现希格斯粒子及其性质研究作出了直接贡献。
北京谱仪Ⅲ
发现“四夸克物质”Zc（3900）
大亚湾反应堆中微子实验设施