西安光機所主要研究領域包括基礎光學、空間光學、光電工程，主要研究方向包括瞬態光學與光子學理論與技術研究、高分辨可見光空間信息獲取和光學遙感技術研究、干涉光譜成像理論與技術研究、高速光電信息獲取與處理技術研究。研究所有一個國家重點實驗室、二個中科院重點實驗室，分別是瞬態光學與光子技術國家重點實驗室、中國科學院超快診斷技術重點實驗室、中國科學院光譜成像技術重點實驗室；另有空間光學技術研究室等若干研究單元，以及檢測中心、系統工程部等完整的技術支撐體系。


現有在職人員845人，其中科技人員約550人?，F有中國科學院院士1人，國際歐亞科學院院士1人,研究員及正高級工程師76人、副研究員及高級工程師172人。著名科學家龔祖同、侯洵、薛鳴球、牛憨笨等院士均出自本所。十一·五以來，研究所秉持“以人為本”的發展理念，以高層次人才引進與培養統領人才隊伍建設，通過強化學科優勢、打造事業平臺、營造優良文化氛圍及優美園區環境，吸引凝聚了一批優秀人才，為研究所創新跨越、可持續發展奠定了堅實基礎。引進的高層次人才中有2人入選國家“千人計劃”，2人入選國家“青年千人計劃”,12人入選中國科學院“百人計劃”、5人入選陜西省“百人計劃”。

近年來，研究所面向國家經濟發展與民生需求積極推進科技成果轉移轉化，布局研發與培育戰略新興產業，已在四個地區建立了技術轉移轉化基地，孵化出西安炬光科技有限公司、飛秒光電科技（西安）有限公司、中科中涵激光設備（福建）股份有限公司、江蘇航科復合材料科技有限公司、西安中科梅曼激光科技有限公司、西安和其光電科技有限責任公司等一批高技術企業。年創造產值約2億元，上交稅金與實現利潤各數千萬元，增加社會就業崗位約800個。 2010年以來，中共中央政治局常委、全國政協主席賈慶林，中共中央政治局常委、國務院副總理李克強，中共陜西省委書記趙樂際，原省長袁純清，陜西省委副書記、省長趙正永，常務副省長婁勤儉，西安市委書記孫清云等領導都曾專程來所視察，對研究所科技事業發展以及成果轉移轉化所取得的成績給予充分肯定。 


西安光機所是國務院學位委員會授權的首批博士、碩士培養單位?，F設有物理學（光學、等離子體物理專業）、光學工程、電子科學與技術（物理電子學、微電子學與固體電子學專業）、信息與通信工程（通信與信息系統、信號與信息處理專業）一級學科博士及碩士培養點；另有材料科學與工程（材料物理與化學專業）、控制科學與工程（控制理論與控制工程專業）一級學科碩士培養點以及光學工程、電子與通信工程、控制工程、材料工程碩士專業學位培養點。設有物理學（光學專業）、光學工程博士后流動站。

現有在學研究生404人（其中碩士生236人、博士生168人）、在站博士后14人。 西安光機所與國際學術界交往密切，諾貝爾獎金獲得者楊振寧、李政道、丁肇中博士等國際著名科學家都曾來所訪問講學。研究所與意大利合作成立了“超高速光子網絡與通訊聯合實驗室”，并在國內與西安交通大學、西北工業大學等分別共建有聯合實驗室。每年向美國、英國、加拿大、日本、澳大利亞等國派遣訪問學者及研究生。