Il Dipartimento intrattiene stretti rapporti di collaborazione con la Sezione di Torino dell'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare); Istituto di Cosmogeofisica e l'Istituto di Metrologia "G. Colonnetti" del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) di Torino; l'Osservatorio Astronomico di Torino.
Inoltre, esistono intensi rapporti con alcuni dei più importanti centri di ricerca internazionale, tra i quali l'Argonne National Laboratory, (USA); il Center for Astrophysics di Harvard, (USA); il CERN di Ginevra (Svizzera); l'Istitute for Cosmic Ray Research, Tokyo (Giappone); Joint Institute for Nuclear Research di Dubna (Russia); i Laboratori Nazionali di Frascati INFN; il National Research Laboratory of Metrology, Tsukuba, (Giappone); il Rutherford Laboratory, (Gran Bretagna); il World Meteorological Organization della NASA, (USA); Los Alamos Laboratories (USA); il Phisical Research Laboratory (India); l'Università I. Fourier di Grenoble (Francia); l'Istituto di Fisica dell'Atmosfera dell'Accademia Sinica di Pechino (Cina); il Politecnico Enrico Fermi Institute dell'Università di Chicago (USA); l'ETH (Eidgenössische Tecnische Hochschule) di Zurigo, (Svizzera); il NIOZ (Nederlands Instituut Voor Onderzoek der Zee), Texel (Olanda).
Presso il Dipartimento operano le unità di ricerca CNR del GIFCO (Gruppo Italiano di Fisica Cosmica), del GNA (Gruppo Nazionale di Astronomia), del GNFAO (Gruppo Nazionale di Fisica dell'Atmosfera e dell'Oceano), del CIRFAI e del CINFAI (Centro Consorzio Interuniversitario di ricerca per la Fisica delle Atmosfere e delle Idrosfere), del GNDF (Gruppo Nazionale di Didattica della Fisica), del GNSF (Gruppo Nazionale di Storia della Fisica).