Doktorantūra yra trečiosios pakopos studijos. Doktorantūros paskirtis – rengti mokslininkus, gebančius savarankiškai atlikti mokslinių tyrimų ir eksperimentinės plėtros darbus bei spręsti mokslo problemas. Doktorantūrą baigęs ir mokslo daktaro laipsnį įgijęs asmuo turi būti įgijęs pakankamą kompetenciją pažangiausių tiriamojo darbo, mokslo sričių ir jų sąveikos žinių, specializuotų gebėjimų, metodikų, mokslinių tyrimų ir kitų sričių problemoms spręsti bei turimoms žinioms ar profesinei praktikai plėsti. Taip pat turi gebėti dirbti savarankiškai ir turėti gilų mokslo ir profesijos išmanymą naujoms idėjoms ar procesams kurti bei panaudoti studijose ir kitoje veikloje.
Fizinių ir technologijos mokslų centras doktorantūros studijas vykdo kartu su Lietuvos universitetais. Šiuo metu su Vilniaus universitetu doktorantūros studijos vykdomos gamtos mokslų srities fizikos (N002, buvo 02P) ir chemijos (N003, buvo 03P) kryptyse, o taip pat technologijos mokslų srities medžiagų inžinerijos (T008, buvo 08T) kryptyje. Krypties doktorantūros studijas, doktorantų mokslinių tyrimų, disertacijos rengimo, gynimo ir daktaro laipsnio suteikimo tvarką reglamentuoja atitinkami Vilniaus universiteto ir Fizinių ir technologijos mokslų centro doktorantūros reglamentai. Minėtieji trys doktorantūros reglamentai yra skelbiami viešai.
Kartu su Vilniaus Gedimino technikos universitetu doktorantūros studijos vykdomos technologijos mokslų srities elektros ir elektronikos inžinerijos (T001, buvo 01T) mokslo kryptyje. Studijų tvarką reglamentuoja Vilniaus Gedimino technikos universiteto ir VMTI Fizinių ir technologijos mokslų centro technologijos mokslų srities elektros ir elektronikos inžinerijos mokslo krypties doktorantūros reglamentas.