БНТУ является научной организацией и осуществляет деятельность по следующим основным направлениям:
автомобилестроение и тракторостроение; металлообработка; металлургия и литейное производство; порошковая металлургия; строительство; архитектура; материаловедение; наноматериалы и нанотехнологии; транспортные коммуникации и материалы; транспортная логистика; ресурсо и энергосберегающие технологии; разработка месторождений полезных ископаемых; экология; водоподготовка и очистка водных ресурсов; лазерные материалы и технологии; оптика и электроника; энергетика, возобновляемые источники энергии; приборостроение; информационные технологии и робототехнические системы; автоматизация производственных технологий; испытания, сертификация продукции и систем управления.
В результате выполнения НИОКТР создаются новые материалы, технологии, прогрессивные приборы и установки, программные продукты, осуществляется выпуск опытных партий и мелкосерийной готовой для реализации продукции.
В БНТУ функционируют 37 научных школ, возглавляемых ведущими учеными Беларуси, в областях строительства, архитектуры, энергетики, транспортных коммуникаций, машиностроения, автотракторостроения, транспорта, приборостроения, лазерных технологий, метрологии, экономики, горного дела и др.
Научной, научно-технической и инновационной деятельностью в БНТУ, занимаются следующие структурные подразделения:
филиал БНТУ "Научно-исследовательский политехнический институт";
ГП «Научно-технологический парк БНТУ «Политехник»;
филиал БНТУ "Институт повышения квалификации и переподготовки кадров по новым направлениям развития техники, технологии и экономики";
Республиканский институт инновационных технологий;
филиал БНТУ "Опытный завод «Политехник».
БНТУ имеет 2 сертифицированные системы управления при проведении НИОКР: систему менеджмента качества (сертификат соответствия Республики Беларусь № BY/112 05.01.077 00437); систему управления охраной труда (сертификат соответствия Республики Беларусь № BY/112 05.04.077 00746).
БНТУ является головной организацией по 3 ГПНИ («Энергетические системы, процессы и технологии», материалы и технологии», «Механика, металлургия, диагностика в машиностроении», «Фундаментальные и прикладные науки – медицине).
БНТУ выполняет задания в рамках научно-технических программ (государственных, региональных, союзного государства) и государственных программ научных исследований, проекты БРФФИ, хозяйственные договора и контракты с предприятиями и организациями республики, зарубежными учреждениями и организациями стран Евросоюза, Азии и СНГ.
Научные исследования выполняются по заявкам ОАО «МАЗ», ОАО «МТЗ», ОАО «Беларуськалий», ОАО «БелАЗ», ОАО «Кузнечный завод тяжелых штамповок», ОАО «Универсал», ОАО «БАТЭ», а также таких известных зарубежных компаний, как ЗАО «Корпорация «Защита» (Россия), ЗАО ПП «Техника» (Россия), Skania CV АВ, Volvo Car Corporation АВ (Швеция), Daimler AG, BMW (Германия) и других.
Внедрение разработок на предприятиях, учреждениях и организациях республики позволило решить задачи импортозамещения, ресурсо- и энергосбережения, повышения энергоэффективности производств, подготовки инновационно ориентированных специалистов, создания новых и модернизации действующих производств, создания продукции конкурентоспособной на мировом рынке.
В БНТУ издается 5 научных журналов («Наука и техника», «Энергетика - Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ», «Литье и металлургия», «Приборы и методы измерений», «Системный анализ и прикладная автоматика»), 5 сборников («Машиностроение», «Металлургия», «Архитектура», «Теоретическая и прикладная механика»,«Экономическая наука сегодня»).
При БНТУ функционируют 15 советов по защите диссертаций (14 докторских и 1 кандидатский) по 38 специальностям.