学校结合“高水平研究生教育综合改革试点项目”，不断深化研究生培养模式改革，提升研究生的原始创新能力。坚持按照一级学科制定培养方案，突破“流水线式”人才培养模式，注重研究生的“个性化培养”，要求研究生在导师指导下制定个人培养计划，鼓励研究生跨学科、跨学院选修课程。实行实验室轮转制，扩大研究生对学科专业、导师、课题的选择权，扩展研究生的知识结构和能力。坚持以硕博连读为主的连贯培养，实行严格的博士生资格考试。遵循“科研中成长”的研究生培养规律，探索有利于促进科技创新资源向人才培养聚集的新机制。结合重大科学设施和科研项目培养研究生，特别开设围绕大科学装置设施的专业课程、讲座报告、上机培训。鼓励学生利用先进的研究平台和尖端的技术手段，与导师共同开展基础性、战略性、前沿性科学研究。学校积极拓展与国际名校的研究生国际交流项目，资助研究生国际访学、参加国际会议，不断拓展学生的国际视野和学术交流能力。已开展加州大学伯克利分校BeSTEC项目、宾夕法尼亚大学交流项目、牛津大学交流项目、基于导师实质性科研合作的博士生国际交流计划等。
2016年至今，学校已有6届硕士研究生、4届博士研究生毕业并授予中国科学院大学学位。2020年，首届83名硕士研究生、15名博士研究生毕业并授予上海科技大学学位。截止2021年9月，已毕业硕士研究生中，约84%到百度、华为、联影、国家电网、和辉光电、AMD、强生、3M、药明康德等国内外知名企业就业，约14%在加州大学伯克利分校、斯克利普斯研究所、康涅狄格大学、马普煤炭研究所、慕尼黑大学、东京大学、香港大学、南洋理工大学等国内外知名高校和科研机构攻读博士研究生学位；已毕业的博士研究生中，约34%到耶鲁大学、布鲁克海文国家实验室、密歇根大学、南加州大学、鲁汶大学、香港科技大学、清华大学等国内外知名高校做博士后，62%到华为、百度、华力、药明康德、联影、中国科学院等国内外知名企业和科研院所工作。
学校瞄准物质科学与技术、生命科学与技术和信息科学与技术的前沿领域，同时开展教授个体科研和围绕重大目标的团队科研，推动学科交叉融合、大学与国家级科研机构融合，构建科技进步驱动产业发展的完整创新价值链，针对国家在转型发展过程中所面临的一系列严峻挑战，探索基于科技创新的解决方案。截至2021年9月，学校已建立361个研究组，科研人员共参与发表科研论文7893篇，其中第一作者或通讯作者论文4717篇，以第一作者和通讯作者单位在Nature、Science、Cell、Adv. Materials、Cell Stem Cell、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat Comm.、TPAMI、PRL等领域代表期刊上发表论文逾800篇。2020年我校研究团队在国际顶尖学术期刊Cell、Nature、Science上发表了23篇重大科研成果，其中16篇是以上科大为第一单位和主要完成单位。学校全力推进科技与教育的融合，参与中科院牵头的国家级科研项目，与中科院相关院所建立联合实验室开展全面科研合作。2017年10月，超强激光光源联合实验室实现10拍瓦（1拍瓦=1千万亿瓦）激光脉冲输出，达到国际领先水平。2021年6月，软X射线自由电子激光暨活细胞成像等线站装置研制成功并取得首批实验数据，迈入国际先进行列。学校积极推动科教与产业的融合，与多家国内外高科技企业开展产学研合作，技术成果转移转化取得一系列进展。
2016年4月15日，国务院发布《上海系统推进全面创新改革试验加快建设具有全球影响力的科技创新中心方案》，明确指出上科大在上海张江综合性国家科学中心建设中承担重要任务。目前，学校正与中科院上海分院科研院所等单位合作，负责或参与建设软X射线自由电子激光用户装置、活细胞结构和功能成像等线站工程、超强超短激光实验装置、上海光源二期线站工程（纳米自旋与磁学线站、高性能膜蛋白晶体学线站），牵头硬X射线自由电子激光装置的规划和建设，承担“未来医学中心”、“未来科学中心”等科创中心重点建设工作，力争为上海科创中心建设做出重要贡献。
学校积极投身教育国际合作，与多所国际一流大学在学生培养、合作科研、学术交流、课程共享、教师培训等方面开展全方位务实合作，并积极拓展与国内一流大学的交流合作关系。目前学校已与麻省理工学院、耶鲁大学、牛津大学、宾夕法尼亚大学、康奈尔大学、加州大学伯克利分校、约翰霍普金斯大学、杜克大学等欧美知名高校建立了良好的合作关系，合作院校还在不断增加。
