分为研究部门、管理部门、支撑部门。建有“中国科学院微观界面物理与探测重点实验室”、“上海市低温超导高频腔技术重点实验室”。

截至2023年底，上海应物所共有在职职工755人。其中科技人员504人、包括研究员及正高级工程技术人员116人、副研究员及高级工程技术人员236人。在站博士后34人。上海应物所是1981年国务院学位委员会批准的博士、硕士学位授予权单位之一，现设有粒子物理与原子核物理、核技术及应用、无机化学、核能科学与工程、光学等5个学术型博士学位培养点，材料与化工工程博士学位培养点，粒子物理与原子核物理、光学、无机化学、高分子化学与物理、生物物理学、核技术及应用、核能科学与工程、电磁场与微波技术、信号与信息处理、光学工程等10个学术型硕士学位培养点和能源动力、电子信息，生物与医药、材料与化工等4个类别工程硕士培养点，同时设有物理学、核科学与技术2个博士后流动站，共有在学研究生759人。

上海应物所承担中国科学院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”，研究和发展相关核能科学与技术，打造TMSR全产业链，目标是成为拥有最先进、最完备实验设施和条件，以工业应用为目标的世界级钍基熔盐堆核能系统的研究中心。上海应物所还承担“变革性洁净能源技术与示范”、上海光源线站工程（二期）、X射线自由电子激光试验装置工程、X射线自由电子激光用户装置工程、首台国产质子治疗示范装置研制项目，国家重点研发项目，基金委重大项目等国家重要科研任务。

建所以来共取得科研成果600余项，成功研制出我国第一台自行设计建造的1.2米回旋加速器，后改建为1.4米等时性回旋加速器并在其上完成新核素Pt-202的合成与鉴别，实现了我国在新核素合成领域零的突破；研制成功世界上第一台超灵敏小型回旋加速器质谱仪；研制生产出我国第一个载入国家药典的放射性药物。承建并运行的上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，由中国科学院与上海市政府共同向国家建议和建设，于2004年底开工，按期于2009年4月竣工。上海光源是目前世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一，也是我国迄今为止用户最多的大科学装置，是面向国内外用户开放的国家重大科技基础设施和大型科学研究平台。获各类科技奖项200余项。上海光源国家重大科学工程及其团队荣获“2011年度中国科学院杰出科技成就奖”、“2012年度上海市科技进步特等奖”、“2013年度国家科技进步一等奖”；“重离子核反应的集体效应、奇异核产生及其性质研究”、“重质量丰中子新核素的合成鉴别和研究”获国家自然科学二等奖；“相对论重离子碰撞中的反物质探测和夸克物质的强子谱学与集体性质研究”、“多元、协同生物传感界面的设计、组装及生物分析应用研究”获上海市自然科学一等奖；“全相干自由电子激光的前沿实验研究与新原理探索”荣获2018年度上海市自然科学奖一等奖。与上海艾普强粒子设备有限公司联合研发的国产首台质子治疗系统于2022年9月获批医疗器械注册证。“上海光源国家重大科学工程”、“突破钍基核能系统核心技术，建成原型系统”入选中科院“十二五”重大科技成果及标志性进展。“合成新核素铂-202”、“发现反氦核”、“建成上海光源”和“钍基熔盐堆核能系统研发”等四个成果入选“中国科学院改革开放40年40项标志性科技成果”。

上海应物所坚持开展多层次全方位的国际交流与合作，与英国、瑞士、德国、意大利、俄罗斯、美国、澳大利亚、日本、韩国、新加坡、泰国、巴西等国家的科学研究机构建立了正式的所级合作关系，如美国橡树岭国家实验室，英国DIAMOND，瑞士PSI，德国BESSY-II，意大利ELETTRA、INFN，日本的SPring-8、KEK、韩国PLS、新加坡SSLS、澳大利亚的Aus Synch、美国的BNL、ANL、LBNL、SLAC。在钍基熔盐堆核能系统研究领域，先后与美国麻省理工学院（MIT）、澳大利亚核科学和技术组织（ANSTO）、俄罗斯门捷列夫化工大学、英国曼彻斯特大学、加拿大核科学实验室签订了合作协议，保持了核能领域的国际交流；同时，进一步巩固了与罗马尼亚、韩国等原有合作伙伴的关系，持续深化核技术应用方面的国际合作与交流。

主办《核技术》《核科学技术（英文版）》《辐射研究和辐射工艺学报》等学术刊物。上海市核学会、中国核学会辐射研究与辐射工艺学分会、中国辐射防护学会粒子加速器辐射防护分会挂靠本所。