A maior parte dos membros permanentes do DEQ exercem as suas actividades de investigação integrados em quatro centros de investigação do Instituto Superior Técnico:

Centro de Química Estrutural (CQE) O CQE é uma Unidade de Investigação da Universidade de Lisboa (UL) com sedes no Instituto Superior Técnico (IST) e na Faculdade de Ciências (FCUL). É a maior Unidade de Investigação em Química da UL, abrangendo um grupo de áreas amplo e interdisciplinar no âmbito da Química. A missão geral do CQE consiste no fortalecimento da contribuição da Química para o bem-estar da Sociedade através de atividades de Investigação, Desenvolvimento, Inovação, Transferência de Conhecimento, Formação Avançada e Ensino, de elevado nível, desenvolvendo competências científicas e tecnológicas tanto em investigação fundamental quanto orientada/aplicada em ciência e engenharia.
Centro de Recursos Naturais e Ambiente (CERENA) A missão do CERENA é desenvolver investigação de excelência relacionada ao uso sustentável dos recursos naturais, incluindo energia, bem como seu impacto no ambiente. O CERENA adota uma abordagem simultaneamente integradora, multidisciplinar e multiescala, desde o nível molecular até a escala planetária, onde investigadores de diferentes áreas científicas — terra, engenharia química e de materiais — convergem para os mesmos objetivos.
Centro de Física e Engenharia de Materiais Avançados (CeFEMA) O CeFEMA desenvolve investigação envolvendo colaborações intergrupos e externas nos seguintes temas multidisciplinares: Fases Topológicas da Matéria, Fluidos Nanoestruturados e Soft Matter, Matéria e Processos em Não Equilíbrio, Conversão e Armazenamento de Energia, Micro e Nanofabricação de Materiais Avançados, Órgãos Artificiais e Física da Informação e Tecnologias Quânticas.
Institute for Bioengineering and Biosciences (iBB) O Instituto de Bioengenharia e Biociências (iBB) é uma nova unidade de investigação, criada em 2013 no Instituto Superior Técnico (IST), Universidade de Lisboa (UL), que visa destacar-se em investigação e educação avançada em biotecnologia, respondendo ao desafio de explorar abordagens inovadoras para questões científicas e tecnológicas-chave em Ciências Biológicas e Bioengenharia e de transformar o conhecimento científico em inovação tangível.