所謂的材料科學與工程，研究的是各種材料的行為，包含金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、電子材料等。材料的使用充斥現今你我的生活，而人類文明的發展其實也是一部材料如何使用的演化史，自遠古的石器、陶器，到後來的青銅器、鐵器時代，乃至於現代的半導體及光電材料。簡單來說，材料科學演變至今，是電氣、電腦、航太、機械、光電等各種現代高科技產業的基石。
科學家會從微觀的角度研究各種材料細微結構與材料特性之間的關係，例如硬度、強度、顏色、光電性質、磁性等。瞭解了結構與特性關係後，再探討如何選擇且製造出最合適的材料，適當地加以應用到產業。
不像一般工學院的電子工程、電腦工程或機械工程，也不像理學院的物理、化學或數學專業，材料科學與工程常是各大工學院底下唯一一個名稱掛有科學與工程的專業，說明了其跨領域學科的本質。
簡單來說，材料科學是以材料的物理或化學理論為基礎，結合實驗結果，整合化工、電子、電氣專業，調整材料製成、材料微結構，進而獲得性質符合所需的材料。
材料科學與工程的必修課程包括材料熱力學、物理冶金、擴散與相變化、材料力學及晶體結構與繞射等。大致上來說就是學習材料結構、性質與交互作用的知識。
材料熱力學在明瞭分析各種不同熱處理時所需要的熱力學系統條件，物理冶金探討材料固態結構、缺陷與特性，輔以熱力學與動力學的架構來解釋材料內部原子行為，晶體結構與繞射則是研究固體的週期性結構，並用X射線來解析這些固體的結構。
如果以材料研究的性質來區分，材料研究範疇可分為生物材料(Biomaterials)、化學和電化學材料(Chemical and Electrochemical Materials)、計算材料(Computational Materials)、電子，磁性和光學材料(Electronic, Magnetic and Optical Materials)及結構材料(Structural Materials)。
生物材料是近年發展快速的領域，開發替代或增強人體組織的功能性材料，譬如組織工程。 組織工程結合生物化學，細胞和分子生物學以及材料科學，研究能夠替換或修復受損，缺失或功能不良的生物成分，作為醫療治療的另一總選擇，譬如軟骨、皮膚、腎、肝、及角膜、肌肉等組織器官的再造。
化學材料研究蝕刻和沈積技術，是現今半導體工藝的兩大支柱，譬如乾式等離子蝕刻及化學氣相沉積工藝。電化學材料研究兩種不同材料間電能和化學能的互相轉換，包括能量轉換及存儲，目前比較熱門學術課題如鋰電池，超級電容、燃料電池等，都是電化學的研究領域。
計算材料利用計算器優異的高速計算能力，在虛擬環境中利用物理化學理論來設計、合成和測試新材料，加速開發和優化新材料。最新計算材料的研究還包括結合了統計學和機器學習(machine learning)方面的新發展，來理解複雜的類比並加速材料的設計。
電子，磁性和光學材料大多都是涉及光與材料間交互作用的研究，譬如太陽能、半導體、發光二極體或磁性材料及元器件的研究，也包括鐳射開發和應用。
結構材料以力學性能為基礎，專注於研究材料的化學和物理結構及其性質和性能之間的關係，譬如機械性能和對型態改變的影響，希望開發更高強度的材料。
另外，很多學校的材料科學與工程專業也區分出如材料表徵(Materials Characterization)、聚合物(polymer)材料的次領域，這些也都是支撐科技發展不可或缺的工具或材料，是許多工業的基礎。
材料表徵利用物理原理，譬如散射電子或X射線，來瞭解和測量材料的結構和性質，譬如表面特性，組成成分或組成結構。 這是一個探索任何一種材料的基本過程，沒有這個過程，就無法確定其材料的特性。研究範圍從宏觀性質，如機械測試，熱分析，到非常微小的原子尺寸，例如在單個原子和化學鍵的成像、原子和分子的排列方式。
聚合物材料常見於我們的日常生活當中，譬如塑膠袋、橡膠、環氧樹脂等，甚至是構成人體與動物的蛋白質，也是一種聚合物。目前前瞻的研究包括聚合物電子或光電元件、用於組織工程的生物相容性聚合物、自組裝嵌段共聚物及導電聚合物。
