制和防止核武器扩散方面，以及美国核武计划产生的的处理方式进行各项研究。实验室也对能源和环境领域，以及对国家关键基础设施的保障进行研究。桑迪亚国家实验室的研究涉及广泛；除了上述几项主要的研究之外，实验室还在计算生物学、数学、材料科学、替代能源、心理学、微机电系统和认知科学在内的各个学科有所涉足。桑迪亚国家实验室曾经拥有世界上运算速度最快的超级计算机——；世界上最大的X射线发生器——Z脉冲功率设施（Z机）也位于桑迪亚国家实验室。Z机被用于极端温度与压强之下的材料测试；收集的数据可用于辅助核武器研发的计算机模拟。