TTY:llä toimii kaksi Suomen Akatemian valitsemaa tutkimuksen huippuyksikköä.
Signaalinkäsittelyn huippuyksikkö
Kansainvälisesti tunnetun signaalinkäsittelyn ryhmän tutkimushankkeet keskittyvät tiedonsiirtoon, multimediaan sekä äänen, kuvan ja muun moniulotteisen informaation käsittelyyn sekä biologisten systeemien mallintamiseen. Laitos on jossakin muodossa ollut mukana kaikissa Suomen Akatemian tutkimuksen huippuyksikköohjelmissa vuodesta 1995. Tutkimusryhmälle on myönnetty huippuyksikön status vuosiksi 2006-2011.
Älykkäiden koneiden huippuyksikkö
Hydrauliikan ja automatiikan laitoksella toimiva TTY:n ja Teknillisen korkeakoulun yhteinen älykkäiden koneiden huippuyksikkö GIM tutkii nykyisiä ja tulevaisuuden liikkuvia työkoneita ja robotteja. Tutkimuksessa yhdistellään eri teknologioita: hydrauliikkaa, informaatioteknologiaa, elektroniikkaa ja automatiikkaa. GIM on valittu Suomen Akatemian kansalliseen tutkimuksen huippuyksikköohjelmaan vuosille 2008–2013. Laitos on aiemminkin ollut tutkimuksen huippuyksikkö.