结合发展目标，实验室布局了三个主要研究方向，分别是气相化学反应动力学，生物大分子超高时空分辨动力学和表界面超快动力学。以气相小分子体系的动力学研究为基础，发展尖端技术和先进理论方法，拓展到生物大分子和表界面等复杂体系。同时，通过复杂体系的研究，促进提升对化学反应动力学本质和规律的研究。另外，配套布局了极紫外自由电子激光和尖端仪器研发平台，为主要方向的研究提供强大的尖端仪器研发支撑。

气相化学反应动力学

通过精确测量化学反应中的量子共振、隧穿效应、几何相位效应等量子现象，与高精度全维势能面构建和动力学计算结合，精准描述化学物质的结构，阐述化学反应的本质，并实现对化学反应的精准调控；针对燃烧和大气化学中复杂的化学反应，发展和利用大连相干光源的极紫外光电离技术，开展分子-自由基、自由基-自由基反应的研究，阐明复杂化学反应中的重要步骤和决速步；发展高灵敏度、高分辨光谱、质谱等谱学技术，探索分子内和分子间能量和电荷传递的动力学机制；探索化学激光新体系，尤其是特定波长的化学激光。

生物大分子超高时空分辨动力学

突破晶体衍射和冷冻电镜等表征蛋白质结构的静态局限，实现蛋白质及其与小分子相互作用动态结构的原子分辨高效表征。

表界面超快动力学

发展跨时域、跨频域、空间和动量分辨等多维实验新方法，聚焦能源化学和能源材料为背景，探究表界面的能量和电荷转移动力学，揭示太阳能高效利用的新机制，提出催化、光催化等材料优化的新原理。

极紫外自由电子激光和尖端仪器研发平台

着力提升极紫外光源性能和加速器新技术，建设星际表面光化学、大气化学、低温反应动力学等基于光源的实验方法及实验站，建成公共大型科技创新平台。突破高亮度电子注入器、超导直线加速器、高频功率源系统、超快激光系统等关键技术，建成我国乃至全世界独一无二的高重复频率自由电子激光装置——大连先进光源，打造国际领先水平的光子科学技术平台。