Єдність науки і освіти була започаткована в інституті з першого року його заснування першим директором В. Л. Кирпичовим і продовжується до сьогодні.
Своєю потужною, багатофункціональною науково-освітньою структурою ХПІ зобов’язаний засновникам наукових шкіл кінця ХІХ –початку ХХ ст., які зробили вагомий вклад у розвиток світової та вітчизняної системи вищої освіти, наукової і технічної думки.
Це Лауреат Нобелівської премії Л. Д. Ландау, всесвітньо відомі вчені – академіки М.М.Бєкетов, А.М.Бєкетов, В.О.Стєклов, П.П.Будніков, А.К.Вальтер, А.М.Ляпунов, К.Д.Синєльников, В.І.Орлов, професори К.О.Зворикін, П.М.Мухачов, М.Д.Пільчиков, П.П.Копняєв, почесні доктори Д.І.Менделєєв, М.Є.Жуковський.
В 60-80 роки минулого сторіччя ХПІ стає одним з найкрупніших вузів країни. Підготовку спеціалістів для нових напрямків науково-технічного прогресу очолювали талановиті вчені та педагоги: ректор ХПІ проф. М.Ф.Семко ― в галузі машинобудування; академіки В.І.Атрощенко ― технології зв’язаного азоту; А.П.Філіпов ― прикладної математики і механіки; професори П.П.Карпухін ― органічні барвники; І.М.Бабаков ― механіки; Л.С.Палатник ― фізики металів і напівпровідників; С.М.Куценко ― локомотивобудування; д–р техн. наук, Б.Н.Тютюнников ― технології жирів; д–р техн. наук, І.С.Рогачов ― електромашинобудування; Є. О. Носков ― ливарного виробництва; Я.І.Шнеє ― турбінобудування; М.М.Глаголев ― двигунобудування; доц. С.М.Фертік ― потужних електричних і магнітних полів та інші.
У ХПІ створюються нові кафедри і спеціальності, розвиваються нові наукові школи. Якщо в 60-х рр. в інституті нараховувалось дев’ять наукових шкіл, то в 1985 р., їх вже було 27. Наукові школи ― це творчі співдружності науковців різних поколінь, значні наукові результати яких визнані фахівцями України, союзних республік, зарубіжними вченими. Вони охоплюють фундаментальні та прикладні напрямки наукових досліджень.
Для забезпечення організації та проведення наукових досліджень в 50-х рр. XX ст. в інституті був створений науково-дослідний відділ. На його чолі стояли Є.М.Дегтярьов, К.С.Філімонов, а з 1962 р. керівником відділу став видатний організатор, віддана своїй справі людина, доц. Ю.Г.Погорєлов.
Наприкінці минулого сторіччя провідні ВНЗ СРСР за показниками науково-дослідної діяльності, до числа 25 яких увійшов і ХПІ, досягли рівня галузевих та академічних НДІ. В 1985 році, році 100-річного ювілею навчального закладу, обсяг наукових досліджень перевищив 32 млн. крб., при цьому, всі ці кошти інститут отримав за рахунок виконання господарчих договорів і тільки 1,1 млн. крб., були профінансовані з державного бюджету країни.
Вчені інституту виконували актуальні завдання промисловості, розвивали дружні стосунки з провідними підприємствами Харкова, серед них: ДП «Завод ім. В. О. Малишева», ПАТ «ХТЗ ім. С. Орджонікіндзе», ПАТ «Турбоатом», ДП завод «Електроважмаш», ДП ХМЗ, ДП «ФЕД» та інші.
Вузівська наука, яка вийшла на новий рубіж, вимагала вдосконалення управління, нових підходів до забезпечення впровадження результатів НДР у виробництво, вирішення цілого ряду організаційних питань. Тому з метою подальшого підвищення ефективності науково-дослідної роботи у вузах наказом Міністерства вищої і середньої спеціальної освіти СРСР від 1978 р. провідним ВНЗ була надана можливість створювати науково-дослідні частини (НДЧ).
Науково-дослідна частина ― єдина наукова установа, яка об’єднує всі наукові підрозділи університету, в тому числі і науково-дослідні інститути.
Науково-дослідний відділ того ж року було реорганізовано в науково-дослідну частину, керівником якої став проректор з наукової роботи, лауреат Ленінської премії, заслужений працівник вищої школи Української РСР, д–р техн. наук, проф. І.В.Рижков. Він керував діяльністю НДЧ через своїх заступників: доц. Ю.Г.Погорєлов ― заступник з науково-дослідної роботи, доц. Г.В.Лісачук ― з прикладної тематики, доц. С.І.Кондрашов ― з виробничо-технічного забезпечення НДР.
Керівниками НДЧ після проф. І. В. Рижкова працювали: заслужений діяч науки і техніки України, д–р фіз.-мат. наук, проф. В.І.Таран, проф. А.В.Рославцев, проф. Г.І.Львов, заслужений діяч науки і техніки, лауреат Державної премії України, д–р техн. наук, проф. А.П.Марченко, а з 2001 р. ― заслужений діяч науки і техніки, лауреат Державної премії України, д–р техн. наук, проф. Г.В.Лісачук.
У 2000 р. вийшов Указ Президента України, який відзначав загальнодержавне і міжнародне визнання результатів діяльності Харківського державного політехнічного університету та його вагомий внесок у розвиток вищої школи і науки. Згідно з цим Указом вуз отримав статус національного і став іменуватися «Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут».
Єдність освітньої та наукової діяльності забезпечила НТУ «ХПІ» вагомі досягнення в підготовці інженерних кадрів та наукових дослідженнях упродовж всієї 130-річної історії, високий рейтинг і провідні позиції серед ВНЗ України та широку популярність у світі.
За вагомі наукові здобутки, забезпечення інтеграції освіти та науки з виробництвом, успішну реалізацію міжнародних проектів і програм вузу постановою Кабінету Міністрів України від 03.02 2010 р. № 76 надано статус самоврядного (автономного) дослідницького національного університету.
Отримавши статус дослідницького, НТУ «ХПІ» активізував роботу по проведенню фундаментальних і прикладних наукових досліджень і розробок за визнаними пріоритетними напрямами наукової, науково-технічної та інноваційної діяльності, в тому числі разом із Національною та галузевими академіями наук. Забезпечується подальша інтеграція освіти і науки з виробництвом шляхом створення навчально-науково-виробничих об’єднань базових кафедр, лабораторій разом із академічними інститутами, підприємствами, установами та організаціями. Удосконалюється робота з охорони об’єктів права інтелектуальної власності, зокрема, інноваційних розробок університету. Університет активно сприяє підготовці науково-педагогічних кадрів вищої кваліфікації через аспірантуру і докторантуру.
В університеті продовжується активна підтримка і розвиток нових наукових шкіл (медичного приладобудування, енергозберігаючих технологій, нових хімічних сполук і альтернативних матеріалів, бронетехніки, біотехнології, екологічної безпеки й охорони здоров’я тощо) шляхом першочергового фінансування фундаментальних досліджень, проведення під патронатом університету виставок, ярмарок, відповідних конкурсів, науково-технічних симпозіумів, конгресів та конференцій, підтримки та розширення фахових зв’язків з науковцями України й далекого та близького зарубіжжя, допомоги у виданні наукових праць (монографій, підручників, навчальних посібників, спеціалізованих журналів), сприяння ефективному функціонуванню магістратури, аспірантури та докторантури.
Сьогодні на 24 факультетах та 95 кафедрах університету за 107 спеціальностями навчаються понад 15 тис. студентів. Підготовку фахівців здійснюють близько 2000 науково-педагогічних працівників, серед них: 200 докторів наук і професорів, понад 900 кандидатів наук і доцентів, 37 заслужених діячів науки і техніки та працівників освіти України, 35 лауреатів державних премій України, три академіка НАН та два члени-кореспонденти НАН і НАПН України, 27 академіків галузевих АН України.
В університеті функціонують 40 відомих в Україні і далеко за її межами наукових шкіл. Науковці активно співпрацюють із 20 установами НАН України, серед яких: Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона, Інститут електродинаміки, Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Фізико-технічний інститут низьких температур імені Б.І.Вєркіна та понад 100 провідних виробничих підприємств, фірм та компаній.
Важлива роль у підвищенні якості підготовки фахівців, наданні випускникам НТУ «ХПІ» статусу спеціаліста, визнаного у світі належить чисельним науковим школам університету. Фундаментальні дослідження, які в них виконуються, є основою для виокремлення нових стратегічних напрямів науково-технічного прогресу в перспективних галузях економіки України. Тобто без фундаментальних досліджень в університеті неможлива якісна підготовка бакалаврів, спеціалістів, магістрів, неможлива ефективна робота сучасної аспірантури і докторантури. Стрижнем концепції розвитку є створена в університеті модель спеціаліста ХХІ ст. Єдність навчального процесу з виконанням наукових досліджень завжди була і залишається основним принципом діяльності університету. Щорічно понад 50 % студентів денної форми навчання залучаються до виконання наукових досліджень і проведення наукових розробок. Студенти мають унікальну можливість здобути навички вченого-дослідника у великому науковому центрі, яким є НТУ «ХПІ». Накопичені наукові знання стають основою формування нових спеціальностей підготовки з пріоритетних напрямків економіки нашої держави. За роки незалежності України кількість спеціальностей в університеті зросла з 56 до 107.
Науково-дослідна робота зосереджена в науково-дослідній частині. Серед основних завдань НДЧ такі: проведення фундаментальних досліджень із вирішення проблем природничих, технічних, суспільних та гуманітарних наук; проведення прикладних досліджень із вирішення актуальних завдань розвитку народного господарства; прискорене впровадження результатів наукових досліджень і розробок із створення нової техніки і технології; участь у розробці найновіших наукових проблем подальшого розвитку й удосконалення вищої освіти в державі; укріплення зв’язків наукових досліджень з навчально-виховним процесом шляхом широкого залучення викладачів, студентів та аспірантів до науково-дослідної роботи й активного використання результатів досліджень у навчальному процесі; всіляко сприяти підготовці наукових кадрів і підвищенню наукової кваліфікації професорсько-викладацького складу.
НДЧ об’єднує ТОВ Науковий парк НТУ «ХПІ», Навчально-дослідницький клас-кластер «Політехнік – 125», Центр трансферу технологій, Центр комерціалізації інтелектуальної власності та трансферу технологій, Академічний центр компетенції ІВМ «Розумна комерція», відділи науково-технічної інформації та патентно-ліцензійної роботи, стандартизації та метрології, Науково-технологічний та навчальний центр, п’ять навчальних науково-виробничих центрів, 46 науково-дослідних лабораторій.
Щорічний обсяг виконуємих науково-дослідних робіт, які фінансуються за рахунок держбюджету, господарських договорів та міжнародних грантів, перевищує 30 млн. грн.
Науковий потенціал НТУ «ХПІ» визначають також Науково дослідний та проектно-конструкторський інститут «Молнія», інститут «Іоносфера» та науково-дослідний комплекс із вивчення газодинамічних та теплофізичних процесів у турбомашинах. Їх унікальні експериментальні бази згідно з постановами Кабінету Міністрів України віднесені до таких, що становлять національне надбання країни. Сьогодні можна стверджувати, що ці інститути і комплекс своєю діяльністю, науковим потенціалом у світовому науково-освітньому просторі створюють позитивний імідж України, вітчизняних університетів. Про таке визначення може свідчити, наприклад, те, що Міжнародна електротехнічна комісія ООН включила до реєстру унікального світового випробувального обладнання (ІЕС 61000-4.320) високовольтні установки, які використовуються на експериментальній базі інституту «Молнія».
НДПКІ «Молнія» широко відомий не тільки в Україні, але й у всьому світі як найбільший науково-дослідний і випробувальний центр, який спеціалізується в галузі техніки високих напруг, потужних електричних і магнітних полів, теорії і практики забезпечення вимог електромагнітної сумісності та стійкості об’єктів, які містять у собі радіо- та електротехнічне обладнання. У ньому розробляються засоби протидії електронному тероризму, природній та штучній блискавці, захисту інформації від несанкціонованого зчитування, забезпечення високої обороноздатності держави.
В інституті «Іоносфера» дослідження іоносфери проводяться за допомогою еталонних радіофізичних інструментів — радарів некогерентного розсіяння метрового діапазону. У висотному діапазоні 120–1500 км виміряються такі характеристики навколоземного космосу, як концентрація електронів, температура заряджених часток, швидкість руху іоносферної плазми, іонний склад. Результати спостережень дали можливість отримати нові знання про сонячно-земні зв’язки, досліджувати ефекти сонячних спалахів і геокосмічних бурь, вивчати хвильові збурення, які виникають в іоносфері при запусках ракет-носіїв, потужних вибухів, роботі нагрівальних стендів короткохвильового радіовипромінювання.
Наукове значення науково-дослідного комплексу визначається передовими напрямками експериментальних і теоретичних досліджень турбомашин. Проводяться дослідження, які визначають основні принципи проектування парових турбін великої одиничної потужності та дослідження проблем турбобудування.
Розроблені нові високоекономічні ступені турбін із «зворотною закруткою», унікальні широкорежимні останні ступені для швидкохідних і тихохідних турбін із довжиною робочої лопатки 1030, 1450 мм. З метою підвищення ККД турбін проведені масштабні дослідження з проблеми створення широкорежимних вихлопних патрубків, розроблено новий тип приладу для вимірювання відносного подовження ротора турбіни.
Експериментальні дослідження з використанням сучасних методів дозволяють створити високоекономічні ступені для турбін, що проектуються, а також для модернізації тих, які експлуатуються на електростанціях України.
За роки незалежності видатні наукові розробки НТУ «ХПІ» удостоєні 19 Державних премій України в галузях науки й техніки, дев’яти премій Президента України, трьох премій Кабінета Міністрів та премії НАН України для молодих вчених, премій НАНУ ім. С. О. Лебедєва і В. Є. Лашкарьова.