Signaalinkäsittelyn keskeisimmät sovellukset ovat tietoliikenteessä ja digitaalisessa mediassa. Nopeaa kehitystä tapahtuu kaikilla tasoilla: audion, videon ja multimedian teoriassa sekä käsite- ja sovellustasolla. Esimerkiksi stereo- ja holografiakuvien käyttö avaa uusia mahdollisuuksia multimediaan.
Signaalinkäsittelyllä on myös vahva rooli lääketieteellisessä ja biologisessa kuvantamisessa. Alan menetelmät voivat tuoda paljon uutta biologisten systeemien solu- ja genomitason ilmiöiden mallinnukseen ja analysoitiin.
Signaalinkäsittelyn laitos tutkii signaalinkäsittelyn teoriaa, audion ja videon käsittelyä, langatonta multimediaa ja tekotodellisuutta sekä biologisten signaalien ja systeemien mallintamista. Näiden hyvin erityyppisiltä vaikuttavien alueiden tarpeisiin kehitetyillä menetelmillä on usein yhteiset informaatioteorian perusteisiin kuuluvat juuret. Lisäksi tutkimusaloihin kuuluvat menetelmät, joissa videon subjektiivista laatua reaaliaikaisesti analysoimalla parannetaan multimediapalvelujen laatua.
Käytännön esimerkkejä tutkimuksesta ovat muun muassa solutason ilmiöiden analyysi, erityisesti monimutkaisten biologisten ilmiöiden mallinnus- ja simulointitekniikat. Lisäksi kuvia, audiota ja videoita pystytään hakemaan tietokannoista sisällön perusteella. Sovelluksia ovat myös tietoliikenteen lähetinten vastaanotinten signaalinkäsittely sekä musiikin automaattinen nuotinnus ja analyysi sekä äänimaiseman tunnistaminen.
Signaalinkäsittelyn laitos tekee eturivin tutkimusta ja antaa opetusta signaalinkäsittelyn teoriassa. Lisäksi laitos kehittää uusia sovelluksia useilla modernin signaalinkäsittelyn osa-alueilla. Laitoksen johtajana toimii professori Ari Visa. Laitoksella toimivista tutkimusryhmistä professori Jaakko Astolan johtama Signaalinkäsittelyn algoritmien tutkimusryhmä eli SPAG (Signal Processing Algorithm Group) on laajin. SPAG on nimitetty Suomen akatemian huippuyksiköksi (2000–2011).