Основними напрямками наукових досліджень інституту є:
- розробка наукових засад підвищення ефективності використання природного газу та альтернативних теплоносіїв як основи для створення нових енерго- та ресурсозберігаючих технологій;
- дослідження у галузі прикладної теорії горіння, термодинаміки, міжфазного тепло- і масообміну та розробка на цій основі нових теплотехнологічних процесів і обладнання;
- дослідження з охорони довкілля з метою створення науково-технологічних засад захисту атмосферного повітря від забруднень, термічного знешкодження твердих побутових відходів та особливо небезпечних речовин та відходів.
Наукові, науково-технічні та організаційні роботи з використання синтез-газу для прямого одержання заліза, що виконуються в інституті, вважаються одними з пріоритетних в НАН України
В інституті виконуються фундаментальні дослідження в галузі термодинаміки складних газових систем, тепло- та масообміну, газової динаміки, термохімії. На їх основі створені та впроваджені у виробництво нові технології та обладнання для ефективного використання газу та інших теплоносіїв в базових галузях промисловості – металургії, енергетиці, хімічній та газовій, машинобудуванні, виробництві будівельних матеріалів, в комунальному господарстві.
Зроблено значний внесок у вирішення проблеми захисту атмосферного повітря від шкідливих викидів енергетичних установок. Всі зазначені розробки та багато інших впроваджені у виробництво із значними економічними ефектами. Отримані результати досягнуті завдяки створенню наукових напрямків та шкіл в галузях чорної та порошкової металургії, теплотехніки, газотехніки, промислової екології.
До новітніх розробок інституту належать технології використання природного та супутнього нафтового газу як моторного палива транспортних та стаціонарних двигунів внутрішнього згоряння; програмні комплекси для обрахування технологічних схем газопереробних заводів; технології виробництва перліту та сіопору, отримання терморозширеного графіту та виробів з нього; технології та обладнання для децентралізованого опалення житлових та промислових комплексів – контактно-поверхневі нагрівачі води, променеві нагрівачі, котли малої та середньої потужності. Вказані розробки широко впроваджені в промисловість України, країн СНД та інших країн і пропонуються для подальшого впровадження.
Поряд з зазначеною тематикою подальші задачі інституту пов’язані з розширенням ресурсної бази енергетики, розробкою нових енергозберігаючих технологій, спрямованих на підвищення енергетичної незалежності держави.