Фундаментальные и прикладные научные исследования в области энергоэффективности и энергосбережения ведутся по следующим направлениям:

• развитие методологии оптимального проектирования оборудования на базе сопряженного физического и математического моделирования;
• исследование и моделирование энергоэффективных процессов с совмещением технологических стадий;
• исследование и моделирование процессов тепло- и массообмена на интенсифицирующих поверхностях с дискретной шероховатостью различных типов;
• биоконверсия основного растительного сырья и отходов лесоперерабатывающих и сельскохозяйственных предприятий с получением ценных пищевых и промышленных продуктов (пищевого и топливного этанола и биодизеля, молочного сырья, глюкозного концентрата, ферментных препаратов, биогаза);
• исследование и моделирование процессов утилизации промышленных выбросов в окружающую среду;
• оптимизация теплотехнологических процессов промышленных производств и увеличение их энергетической эффективности.

С 2007 года осуществляет свою работу научно-образовательный центр «Перспективные исследования в нефтехимии и теплоэнергетике» КГТУ и Казанского научного центра РАН, обеспечивающий выполнение прорывных научных проектов в области энергоэффективности процессов и энергосбережения. Основными заказчиками специалистов по данному направлению являются предприятия и проектные организации химического и нефтехимического комплекса, теплоэнергетики, научные организации Российской академии наук, в частности, ОАО «Газпром», ОАО «Лукойл», ОАО «Сибнефть», ОАО «Сибур», ОАО «Татнефть», ОАО «ТАНЭКО», ОАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «Нэфис-Косметикс», ОАО «Казанькомпрессормаш», ОАО «Вакууммаш», ЗАО «НИИ Турбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», ОАО «Татэнерго» и другие.

В рамках ПНР университет взаимодействует с ведущими зарубежными университетами и научными организациями США, Германии, Болгарии, крупнейшими предприятиями России, академическими и отраслевыми институтами.