Plusieurs équipes du laboratoire Kastler Brossel mènent des travaux de recherche à l’interface entre la physique, la biologie, et la médecine. Ces travaux, réalisés le plus souvent en étroite collaboration avec des laboratoires extérieurs, portent sur :

• Le  développement  de  nouvelles  méthodes  de  détection  optique  ou  par  résonance magnétique
• L’utilisation de ces techniques pour l’étude de milieux biologiques.
• L’équipe « Hélium polarisé, solides et fluides quantiques » utilise son expertise dans les techniques de pompage optique pour produire du gaz d’hélium polarisé servant pour l’imagerie RMN du poumon. À terme, il s’agit d’applications potentielles comme outil de diagnostic dans un cadre hospitalier.
• L’équipe « Imagerie optique et applications aux milieux diffusants et biologiques » s’intéresse au contrôle de front d’onde de la lumière dans les milieux complexes, en particulier pour la biologie et l’imagerie des tissus. La propagation de la lumière dans de tels milieux est riche d’applications potentielles mais pose aussi des questions fondamentales liées en particulier à la localisation de la lumière ou à l’interaction lumière-matière. Ces recherches visent à utiliser la manipulation spatiale et temporelle de la lumière pour la focalisation, l’imagerie, et la manipulation de nano-objets en milieux diffusants.
• Les équipes  « Métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux » et l’équipe « Fluctuations quantiques et relativité » sont impliquées dans le projet GBAR, accepté par le CERN, visant à mesurer l’effet de la gravité terrestre sur l’antimatière.
• Un autre événement important est l’approbation finale de la mission spatiale PHARAO-ACES qui devrait être lancée en 2015. Ce projet d’horloge atomique spatiale à atomes froids, auquel collabore le groupe « Gaz de Fermi ultra froids » devrait permettre la synchronisation la plus précise entre horloges terrestres, pour améliorer les mesures de dérive des constantes fondamentales.
• L’équipe « Fluctuations quantiques et relativité » est impliquée dans plusieurs collaborations (MICROSCOPE, STE-QUEST, MAQRO …) ayant pour but de tester la relativité générale, théorie qui décrit les lois de la gravitation tout en étant, sous sa forme actuelle, incompatible avec la théorie quantique.
• L’équipe « Optomécanique et mesures quantiques » fait partie de la collaboration VIRGO qui développe la deuxième génération du détecteur d’ondes gravitationnelles franco-italien. La détection de ces ondes gravitationnelles, prédites par la relativité générale, constituerait un événement considérable, avec des implications astrophysiques et cosmologiques majeures.