Значительный импульс этому движению был придан в предвоенные годы. Именно тогда в университете – форпосте высшего образования за Уралом – начали формироваться сильные научные коллективы. Особую роль в этом процессе сыграло создание в 1928 г. по инициативе А.Ф. Иоффе Института прикладной физики, впоследствии – Сибирского физико-технического института ТГУ, одного из крупнейших НИИ в системе высшей школы СССР. В дальнейшем в составе университета были созданы в 1932 г. – спецотдел   (в дальнейшем – НИИ прикладной математики и механики), в 1935 г. – Биологический институт (впоследствии – НИИ биологии и биофизики). В 1933 г. был создан научно-исследовательский сектор. Титул научного учреждения получили Сибирский ботанический сад и Научная библиотека ТГУ.

С созданием в университете этих научных подразделений (фактически первых в Сибири научно-исследовательских институтов) подготовка специалистов высшей квалификации на основе интеграции учебного процесса и научных исследований приобрела черты четко выраженной системы, задолго предвосхитившей известную с 1950-х гг. систему МФТИ «Вуз – НИИ»: студенты в обязательном порядке привлекались к реальным научным исследованиям, вливались в коллективы научных лабораторий. Работы дипломников часто публиковались в научных журналах. Так, по предложению С.И. Вавилова в 1934 г. журнал «Доклады Академии наук» опубликовал сообщение студента-физика ТГУ А.К. Красина (впоследствии академика, создателя первых советских атомных станций, лауреата Ленинской премии), и таких примеров множество.

В 1926 г. в университете была открыта аспирантура численностью семь человек (в числе первых ее выпускников – будущий академик АН СССР геолог Ю.А. Кузнецов, будущий ректор Казанского университета Г. Камай, будущий ректор Новосибирского медицинского университета Г.Д. Залесский).

Сотрудники университета внесли огромный вклад в освоение природных богатств и индустриальное развитие Сибири, обеспечив минерально-сырьевую базу Кузнецкого металлургического комбината, Красноярского алюминиевого завода, Норильского горно-металлургического комбината, золотодобывающих предприятий Западной и Восточной Сибири.  Еще в 90-е гг. XIX века в ходе геологической экспедиции под руководством профессора Императорского Томского университета А.А. Зайцева вдоль трассы Сибирской железной дороги профессор А.Н. Державин провел первые систематические исследования в Кузбассе, определил мощность угольных пластов и положил начало Кузнецкому угольному бассейну. Организованная в 1910 г. комплексная Монгольская экспедиция имела общегосударственное значение, так как изучила этот регион как рынок для российской промышленности и как источник сырья для России. Позже проф. М.Н. Булынников исследовал месторождения золота Горной Шории, Салаира, Восточных и Западных Саян, в результате чего открыты  золотые рудники «Коммунар», «Центральный» и другие, откуда стало поступать золото. Проф. А.Р. Ананьев обнаружил запасы золота и вольфрама в Мариинской тайге, Д.А. Васильев разведал месторождения кобальта. И.К. Баженов обнаружил промышленные запасы нефелиновых руд, ставшие сырьем для развития производства алюминия и нужд керамической промышленности.

Интеграция учебного процесса и научных исследований позволяла готовить специалистов, способных к решению важнейших практических задач в различные периоды развития страны. Например, в 1930-е гг. учеными СФТИ были созданы дефектоскопы для обследования состояния рельсов железно-дорожных магистралей. Сотрудники СФТИ с дефектоскопами прошли тысячи километров, предотвратили несколько крушений, дефектоскопные тележки системы СФТИ были приняты к эксплуатации на ж.-д. транспорте всей страны.

В самом начале ВОВ профессора Томского университета В.Д. Кузнецов и Б.П. Токин создали первый в стране Комитет ученых для мобилизации научных сил на выполнение задач военного времени. Коллектив школы физики твердого тела под руководством В.Д. Кузнецова и М.А. Большаниной выполнял работы по повышению прочности брони, коллектив спецотдела решал актуальные задачи баллистики,  школа радиофизиков (В.Н. Кессених, А.Б. Сапожников) разрабатывала новые конструкции антенн, новые системы металлодетекторов и рельсовой дефектоскопии, на нужды фронта работали практически все коллективы университета. В частности, в СФТИ под руководством Б.П. Кашкина был создан радиощуп, позволявший обнаруживать металлические осколки в теле раненых, нашедший широкое применение в госпиталях во время ВОВ. Свой вклад вносили биологи университета. Проф. В.В. Ревердатто совместно с ТМИ разработал лечебные препараты из лекарственных растений, они применялись в госпиталях, отмечены государственной премией. Группа под руководством Б.П. Токина разработала новые фитонциды-бактерициды растительного происхождения, которые также использовались в госпиталях.

На основе научных школ и подразделений ТГУ организовано пять университетов Сибири, более 10 академических и отраслевых научно-исследовательских институтов. Практически в каждом вузе и НИИ г. Томска, Сибири и Дальнего Востока работают питомцы ТГУ.

В 1969 г. на основе лаборатории ИК излучений СФТИ при Томском университете В.Е. Зуевым создается первый в Томске академический институт – Институт оптики атмосферы. Созданная в предвоенные годы  академиком В.Д. Кузнецовым в СФТИ школа физики твердого тела стала основой Института физики прочности и материаловедения СО РАН. На базе нескольких школ университета – физиков, радиофизиков, биологов, географов, метеорологов – создан Институт мониторинга климато-экологических систем СО РАН. Сегодня в ТГУ выпускников готовят кафедры по профилю всех институтов Томского филиала СО РАН, активно идет процесс создания академическими институтами в ТГУ своих лабораторий, а в академических и отраслевых  институтах Томска, Новосибирска, Москвы, Дубны, Черноголовки действует около 20 филиалов кафедр ТГУ.

Выполнение в 1960-х гг. в лаборатории физики диэлектриков СФТИ работы по созданию и применению нового  полупроводникового материала – арсенида галлия (В.А. Преснов) – стали началом школы полупроводникового материаловедения и легли в основу создания в г. Томске отраслевого предприятия – НИИ полупроводниковых приборов, ведущего предприятия России в области арсенид-галлиевых технологий.

Последние десятилетия прошлого и начало нынешнего века характеризуются дальнейшим укреплением ведущих научно-педагогических школ ТГУ. Так, на филологическом факультете два научных коллектива – литературоведы и лингвисты – были удостоены Государственной премии РФ.

В стенах ТГУ учились или работали свыше 100 членов РАН и РАМН, свыше 250 лауреатов высших национальных научных премий, два лауреата Нобелевской премии. 

Как и в начале XX века, университет готовит научную элиту для вузов и академических институтов страны. Научный потенциал университета характеризуется сотнями грантов государственной поддержки ведущих научных школ, международных научных фондов. Так, ТГУ стал единственным вузом России, выигравшим конкурсы на создание центров в области и естественных, и гуманитарных наук (CRDF и МИОН).

В историческом аспекте ТГУ занимает базовую позицию не только в фундаментальных, прикладных исследованиях, но и в развитии инновационной деятельности в регионе. Университет является одним из соучредителей первого в СССР Томского технопарка (1991). В 1994 г. в университете был создан первый за Уралом вузовский инновационный центр – Томский инновационный центр Западной Сибири (ТИЦ ЗС). 

К настоящему времени в университете сформирована действенная  инновационная инфраструктура.  В 2001 г.  в ТГУ был создан первый Центр коллективного пользования уникальным научным оборудованием,  предоставляющий услуги по использованию  уникального оборудования и приборной базы, программных комплексов как научным школам университета, так и сторонним потребителям: сотрудникам  вузов и академических институтов, промышленным предприятиям и различным коммерческим организациям. 

Научно-технологический и кадровый потенциал университета, наличие в ТГУ задела инновационных проектов составляли существенную часть обоснования создания в г. Томске особой экономической зоны (ОЭЗ) технико-внедренческого типа. Сегодня университет активно  взаимодействует с ОЭЗ, идет процесс формирования резидентов ОЭЗ из числа предприятий инновационного пояса университета, ТГУ ведет подготовку кадров для ОЭЗ.

В историческом плане ключевым преимуществом университета, определяющим его лидирующую роль среди сибирских вузов, является сочетание фундаментального классического образования и деятельности ведущих научно-педагогических школ, актуальные исследования по широкому спектру физико-математических, естественных, социально-экономических, гуманитарных наук, возможность организации междисциплинарных научных исследований и инновационных проектов.

Исторические заслуги ТГУ и современные достижения определили высокую академическую репутацию университета в российском и мировом научном сообществе, о чем свидетельствуют не только достойные позиции в различных рейтингах, но и все возрастающий интерес к сотрудничеству с учеными университета со стороны научных организаций и бизнес-структур. Стратегические партнеры ТГУ и система взаимодействия с ними определяются в соответствии с миссией университета, основными направлениями деятельности в сферах образования, науки и реального сектора экономики.

Значительный импульс развитию научных исследований и росту мирового признания достижений ученых университета придали крупные проекты, которые университет реализует в результате побед в конкурсах Минобрнауки России: Инновационная образовательная программа (2006–2007), Программа повышения международной конкурентоспособности (с 2013 г.), Программа развития ТГУ как Национального исследовательского университета (2010–2019).

В 2013 г. университет вошел в число вузов – победителей конкурса Проекта 5-100 программы повышения конкурентоспособности ведущих университетов РФ, в течение всего периода реализации Проекта стабильно входил в группу лидеров.

Новым этапом развития ТГУ можно считать победу в конкурсе на участие в программе «Приоритет 2030» (2021), причем университет вошел в первую лидирующую группу вузов и в базовой части Программы, и в треке «Исследовательское лидерство». В рамках программы в ТГУ реализуется пять стратегических проектов: «Технологии безопасности», «Инженерная биология», «Глобальное изменение Земли: климат, экология, качество жизни», «Социогуманитарный инжиниринг» и «Открытая экосистема генерации знаний и технологий – Большой университет Томска». Важной составляющей программы университета стало воплощение в реальную деятельность инициативы ТГУ по созданию Большого университета Томска, призванного объединить ресурсы вузов и НИИ Томска для решения стратегических задач образовательной и научно-инновационной сферы. 

В 2022 г. Томский государственный университет стал победителем федерального проекта «Передовые инженерные школы» (ПИШ), в результате чего в ТГУ создается передовая инженерная школа «Агробиотек», поддержанная промышленным партнером «Сибагро». ТГУ планирует готовить специалистов по биоинженерным технологиям для сферы агробиотеха, внедряя инженерные подходы к обучению. При этом инженерная биология – одно из стратегических направлений ТГУ в рамках федеральной программы «Приоритет 2030». 

Область научных исследований является объектом заинтересованного внимания общества, которое ставит перед вузовской наукой все более сложные задачи и ожидает прорывных результатов. Как и в течение всей 145-летней истории первого вуза Сибири ученые ТГУ ставят перед собой амбициозные цели, активно включаются в современную исследовательскую повестку, подтверждая высокий авторитет ведущих научных школ университета.