物理系研究生在凝聚态物理、原子分子与光物理、粒子物理、核物理、天体物理、声学、生物物理、量子信息等学科的导师指导下从事研究工作。

物理系每年分三次招收下学年秋季入学的研究生：7月清华物理系全国优秀大学生夏令营、9月清华统一招生和1月全国研究生统一入学考试。前两次免试招收博士生和少量硕士生，第三次招收少量普博生和硕士生。

研究生通常在第一年以上课为主，之后在导师指导下进行研究工作。教育部为第一到第五年的博士生提供统一的津贴。此外研究生还可通过助教、助研和助管岗位得到补贴。物理系对博士生获得博士学位的要求包括修满一定学分的课程、在限定时间内通过博士生资格考试和完成令导师和系学位委员会满意的研究工作。

物理系设立“吴有训奖学金”和“任之恭奖学金”，奖励优秀研究生。此外每年还有多位研究生获得其他各类奖助学金。

物理系每年毕业的博士生约有30%到国内外知名大学或研究机构从事博士后研究；其余就业于高校、研究所、企业等单位。就业的学生中到重点单位（重点高校、重要科研机构、政府管理部门和国内外知名企业）的占70%，重点单位中高校和科研单位所占比例为50%。