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科研历来是多伦多大学的重中之重。多大共设有一百多个研究中心和研究院所，它们大多同时从事科研和培养研究生甚至本科生的工作。这些机构与百余个博士项目、14个专业学院和10所附属研究医院，构成了多伦多大学庞大的科研系统。 这些研究机构包括：
技术和社会发展中心，致力于使教学和研究注意技术的人道、社会和生态学的内涵，寻求将这些综合的知识运用于评价工程方法和结果，使得发展技术与人类的初衷保持和谐一致。
航空航天工程研究院（UTIAS），位于多伦多市北部。作为加拿大航空航天领域的重要研究机构之一，该院主要致力于航空航天工程的学术研究以及部分航天器，卫星及相关电子设备的设计制造，并在亚音速飞行器设计，飞行模拟器，太空机器人，微卫星技术，流体动力学演算及核聚变动力研究等领域拥有良好声誉。其研究经费主要来源于加拿大宇航局（CSA），加拿大国家研究委员会（NRC）及加拿大国防部。主要的国际合作机构包括：欧空局（ESA)，美国航空航天局（NASA），德国马普学会（Max Planck Institute）等离子研究所及英国原子能监管局等。该院在1970年美国阿波罗13号登月事故中，应美国宇航局请求在振动波及空气动力学等领域提供的一系列专业建议及相关计算，使得阿波罗13号机组成员能够成功返回地球而作出的贡献使其广为人知。其他主要成果包括研制世界第一架微波动力航空器，第一架机动振翅飞行器，加拿大第一部太空望远镜等。
都市与社区研究中心是一个多功能的研究机构，近期研究的方向有房屋市场与加拿大的住房政策研究、民族文化模式与发展趋向研究，社会网络与结构趋势分析、社会生态学、城市环境中的行为规范、发展中国家城市化和城市组织等。
调查科学中心，主要的任务之是国土，资源，人口调查研究等。
多大医学院及下属的十所世界级研究医院，包括：大学医学网络（UHN，下含多伦多总医院（Toronto General），玛格丽特公主医院（Princess Margaret），西多伦多医院（Toronto Western）），贝克斯特医院（BayCrest），成瘾及精神健康研究中心（CAMH），西奈医院（Mount Sinai），儿童医院（Sick Kids），圣迈克尔医院（St. Michael’s），阳溪健康科学研究中心（Sunny brook），多伦多康复研究所（Toronto Rehabilitation）及妇女学院医院（Women’s College），构成了加拿大最大的医学及生命科学科研集群。在每年十余亿美元专项科研经费的支持下，其下属的数十间研究机构产生的科研成果无论在数量或质量上都处在世界前十位。
俄罗斯与东欧研究中心，是1963年在多大成立的加拿大同类机构中最大的一个，也是北美洲最大、最孚众望的研究机构之一，它受命通过组织学术会议、促进与苏联东欧国家之间的学术交流、支持研究人员的个人研究和出版、对外交官和学生进行语言培训以及对政府或商界进行咨询服务等途径，完成了许多极有成效的工作。近年来，中心特别注意这一地区的新变化和骚动，并接受了对这些变化进行综合分析以及它们对于加拿大以及全世界的重要性作解释的任务。
图书馆与信息科学研究中心，是加拿大第一个同类研究中心。
其他研究机构还有：宗教研究中心；宗教改革和文艺复兴研究中心；中世纪教皇研究所（加拿大历史最悠久的人文研究机构）；政策分析研究所；医学研究所；中世纪研究所；多伦多大学亚太研究中心；国际研究中心；工业关系中心；保健管理研究所；研究生戏剧研究中心；环境研究所；航空宇航研究所；环境与保健研究所；犯罪学研究中心；儿童研究所；老龄化问题研究中心等共67间研究机构。
此外，安大略教育科学院所（OISE），建于1965年，为安大略省的事业机构，但学术领导属于多伦多大学。这是一个正崛起的世界性教育学研究机构，有一定数量的第三世界留学生在此学习。该所的许美德博士，是国外研究中国教育的权威。该教育研究所管辖的多伦多大学附属中学（University of Toronto Schools），是加拿大最好的高中之一，已培养出两名诺贝尔奖获得者。
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