西安光机所主要研究领域包括基础光学、空间光学、光电工程，主要研究方向包括瞬态光学与光子学理论与技术研究、高分辨可见光空间信息获取和光学遥感技术研究、干涉光谱成像理论与技术研究、高速光电信息获取与处理技术研究。研究所有一个国家重点实验室、二个中科院重点实验室，分别是瞬态光学与光子技术国家重点实验室、中国科学院超快诊断技术重点实验室、中国科学院光谱成像技术重点实验室；另有空间光学技术研究室等若干研究单元，以及检测中心、系统工程部等完整的技术支撑体系。
西安光机所曾为我国“两弹一星”做出了重要贡献，十一·五以来，研究所以改革创新、服务发展，建设创新型国家为己任，圆满完成多项国家重大任务，为“探月工程”、“载人航天工程”等做出了新的贡献。研制的“嫦娥一号”、“嫦娥二号”有效载荷，成功获取了世界首幅全月影像和月球物质分布状况，获取了月面虹湾局部1.3米分辨率影像；研制的“箭载、船载、舱内外摄像机”获取了我国首次太空行走以及天宫一号与神舟飞船对接的珍贵影像。见证了我国航天领域举世瞩目的伟大成就。
十一·五以来，研究所获国家科技进步特等奖一项、技术发明二等奖一项、科技进步二等奖二项，国防科技进步一等奖一项，陕西省科技进步一等奖三项，其他省部级一等奖若干项。2011年研究所获中科院杰出成就奖，两项成果入选“中国遥感领域十大事件”；2010年，赵卫研究员获得国际高速成像和光子学领域的最高奖“高速成像金奖(High-Speed Imaging Gold Award)”，这是继龚祖同院士之后，时隔29年，中国科学家又一次获得该项奖，充分表明研究所在国际高速成像和光子学领域所具有的学术影响。
