La production de connaissances et de savoir-faire d'excellence, qui est le cœur de métier de la Direction de la recherche fondamentale, "nourrit" les autres missions du CEA et attire des talents exceptionnels, qui irriguent l'ensemble de l'organisme. Sans surprise, la Direction de la recherche fondamentale est la première direction contributrice du CEA sur le plan des publications scientifiques et des communications dans les médias. Elle accueille aussi le plus grand contingent de doctorants et de chercheurs internationaux. 

Les axes principaux de recherche au sein de la Direction de la recherche fondamentale touchent de nombreux domaines inter- et trans-disciplinaires tels que la biologie, la chimie, l'énergie, le climat, l'environnement, les instruments et les techniques associés, les nanosciences, la physique ou encore la santé.

Cette diversité permet aux chercheurs de garder une forte culture en matière d'innovation, de technologies et de conduite de projets. Elle favorise les échanges et les collaborations scientifiques avec d'autres instituts de recherche renommés.