达特茅斯大学的学术研究方向主要包括：生物医学、心理学、物理学、化学、数学和计算机科学。

生物医学方面，达特茅斯大学的研究主要集中在生物信息学、分子生物学和神经生物学三个领域。其中，生物信息学是近年来发展迅速的一个新兴领域，主要研究如何有效地利用信息技术来处理生物数据。分子生物学是一门广泛的学科，主要研究生命体系的分子基础。神经生物学是一门交叉学科，主要关注大脑如何通过神经元来实现感官、运动和认识功能。

心理学方面，达特茅斯大学的心理学实验室是国内领先的心理学实验室之一，专注于应用心理学、行为神经科学和认知心理学。该实验室的主要任务是通过对人们日常行为的研究来揭示大脑如何工作。目前该实验室正在开展多项重要的应用心理学项目，旨在帮助人们更好地了解自己和他人。

物理学方面，达特茅斯大学的物理部门是国内领先的量子光子实验室之一，专注于应用量子光子原理来开发新型光子技术。该部门目前正在开发一些具有重大应用前景的新技术，例如量子光子显微成像、量子光子传感器、量子光子通信和量子光子计算。

化学方面：达特茅斯大学的分子材料研究院从事多功能高性能分子材料的研究；例子有：高渗透超渗透薄膜；纳米复合材料；有机/金属/金属oxide/semiconductor复合材料;仿生材料;有机/无机复合材料;仿生能源材料;仿生传感材料;仿生储能材料;仿生水处理材料;仿生化工反应催化剂;仿生农业农作物保护剂;仿生食品加工剂;仿生人工皮肤;仿真皮囊;等.