Kształcenie w uczelni wyższej, szczególnie technicznej, nie może być prowadzone w oderwaniu od prac badawczych. Zaangażowanie studentów w bieżące prace badawcze prowadzone w Instytucie, w formie indywidualnych prac projektowych, stosowane w Instytucie od wielu lat daje studentom ogromne doświadczenie  samodzielnej pracy jak również prezentacji wyników badań oraz udział w dyskusji naukowej.

Prace badawcze prowadzone w Instytucie Maszyn Cieplnych dotyczą badań eksperymentalnych oraz numerycznych procesów cieplno-przepływowych. Badania te obejmują zarówno zagadnienia podstawowe fizyki przepływów jak również badania stosowane w maszynach wirnikowych, kotłach, silnikach spalinowych, procesach technologicznych, aerodynamice środowiska. Dowodem uznania dla poziomu naukowego Instytutu było powierzenie w roku 1997 funkcji centrum pilotowego European Research Community on Flow Turbulence and Combustion. Od 2012 roku centrum pilotowym  kieruje Politechnika Warszawska, natomiast Instytut Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej jest odpowiedzialny za redakcję i druk czasopisma ERCOFTAC Bulletin.

W ciągu ostatnich kilkunastu lat prace badawcze Instytutu związane były ściśle z udziałem w europejskich projektach badawczych 4.,5.,6. i 7. Programu Ramowego. Badania te, prowadzone metodami eksperymentalnymi oraz numerycznymi, dotyczyły zastosowań w lotnictwie, zarówno w zakresie aerodynamiki samolotu jak również przepływu i spalania w silnikach lotniczych. Udział w projektach europejskich pozwolił zespołom badawczym, pracującym w ramach Instytutu, nawiązać współpracę z czołowymi europejskimi ośrodkami akademickimi, badawczymi i centrami przemysłowymi, szczególnie przemysłu lotniczego. Środki finansowe uzyskane w projektach europejskich pozwoliły również na znacząca rozbudowę zasobów obliczeniowych, i w nieco mniejszym stopniu, bazy aparaturowej, stwarzające pespektywy udziału w kolejnych projektach badawczych.

Na początku 2010 r. Instytut został zakwalifikowany do 2 etapu konkursu projektu Mapy Drogowej Infrastruktury Badawczej, co stworzy możliwości znacznej rozbudowy zaplecza aparaturowego oraz mocy obliczeniowych w najbliższej przyszłości oraz znacznego rozszerzenia oferty badawczej i dydaktycznej Instytutu.

Najnowsza działalność badawcza Instytutu Maszyn Cieplnych jest związana z zastosowaniem nowych technologii w energetyce konwencjonalnej jak i odnawialnej. Prace badawcze prowadzone m.in. w ramach Projektu Strategicznego NCBiR „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii” dotyczą nowych technologii bloków nadkrytycznych i supernadkrytycznych oraz technologii pochłaniania CO₂ ze  spalin. Z kolei prace badawcze prowadzone w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka dotyczą technologii uprawy mikroglonów w bioreaktorach zamkniętych i ich wykorzystania do absorpcji CO₂ z gazu pofermentacyjnego.