Το Τμήμα Φυσικής απονέμει ενιαίο Διδακτορικό Δίπλωμα Φυσικών Επιστημών, το οποίο πιστοποιεί την εκπόνηση πρωτότυπης επιστημονικής έρευνας και την ουσιαστική συνεισφορά του κατόχου του στην εξέλιξη της γνώσης σε οποιοδήποτε κλάδο της φυσικής.
Δικαίωμα υποβολής αίτησης για εκπόνηση Διδακτορικής Διατριβής έχουν κάτοχοι τίτλου σπουδών μεταπτυχιακού επιπέδου στη φυσική ή συναφή επιστημονικά πεδία, καθώς και ειδικές περιπτώσεις μη κατόχων μεταπτυχιακού τίτλου σπουδών που έχουν να επιδείξουν εξαιρετική σχετική επιστημονική ενασχόληση.
Αιτήσεις γίνονται δεκτές 1-20 Νοεμβρίου και 1-20 Μαΐου κάθε έτους, ύστερα από σχετική ανακοίνωση του Τμήματος. Σε ειδικές περιπτώσεις, π.χ. σχετιζόμενες με τρέχουσες προκηρύξεις υποτροφιών ή με ερευνητικά προγράμματα, μπορούν να αποφασισθούν και επιπλέον προκηρύξεις.
Η επιλογή των υποψηφίων γίνεται από τριμελείς Επιτροπές Επιλογής των Τομέων του Τμήματος στα αντίστοιχα επιστημονικά πεδία και εγκρίνεται από το Τμήμα. Για κάθε υποψήφιο διδάκτορα ορίζεται μια τριμελής Συμβουλευτική Επιτροπή, ένα μέλος της οποίας είναι ο Επιβλέπων της διατριβής. Τουλάχιστον ένα μέλος της επιτροπής πρέπει να είναι μέλος ΔΕΠ του Τμήματος Φυσικής.
Ο υποψήφιος διδάκτορας παρουσιάζει προφορικά (συνήθως στο πλαίσιο σχετικής ημερίδας που διοργανώνεται από τον αντίστοιχο Τομέα του Τμήματος) και υποβάλλει αναλυτικό υπόμνημα για την πορεία του ερευνητικού του έργου κάθε χρόνο κατά τη διάρκεια του εαρινού εξαμήνου στη Συμβουλευτική Επιτροπή, η οποία στη συνέχεια καταθέτει ετήσια έκθεση προόδου στο Τμήμα Φυσικής.
Η ελάχιστη διάρκεια της διδακτορικής διατριβής είναι τρία πλήρη ημερολογιακά έτη, από την ημερομηνία ορισμού της Συμβουλευτικής Επιτροπής από το Τμήμα. Η μέγιστη διάρκεια των διδακτορικών σπουδών είναι 5 χρόνια με δυνατότητα παράτασης κατά 1 χρόνο σε πολύ ειδικές περιπτώσεις.
Η συγγραφή της διδακτορικής διατριβής μπορεί να γίνει στην ελληνική ή την αγγλική, με εκτενή περίληψη στην αγγλική ή την ελληνική, αντίστοιχα, που να περιέχει τη μεθοδολογία, τα αποτελέσματα και συμπεράσματα της διατριβής.
Ύστερα από έγκριση και σχετική εισήγηση της Συμβουλευτικής Επιτροπής, αφού ολοκληρωθούν οι υποχρεώσεις του υποψήφιου διδάκτορα, η διδακτορική διατριβή υποστηρίζεται δημόσια από τον υποψήφιο ενώπιον επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής που ορίζεται από το Τμήμα. Η διδακτορική διατριβή αξιολογείται με: Άριστα, Λίαν Καλώς, Καλώς ή μη Αποδεκτή από την Εξεταστική Επιτροπή.
Οι πραγματοποιηθείσες διδακτορικές διατριβές υπάρχουν κατατεθειμένες στο Εθνικό Αρχείο Διδακτορικών Διατριβών και το Ιδρυματικό Αποθετήριο "ΠΕΡΓΑΜΟΣ".