در آزمایشگاه بهینه­‌سازی و شبیه‌سازی سیستم‌ها تحقیقات کاربردی در زمینه‌های مدل‌سازی و روش‌های برنامه‌ریزی ریاضی، روش‌های بهینه­‌سازی مبتنی‌ بر شبیه‌سازی، مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستم‌های تولیدی و پویایی‌شناسی سیستم‌های اقتصادی-اجتماعی انجام می‌شود.
تمرکز اصلی فعالیت‌های این آزمایشگاه پیاده‌سازی روش‌های محاسباتی و استفاده از نرم‌افزارهای حرفه‌ای برای حل مسایل کاربردی در ابعاد بزرگ است. همچنین فعالیت‌های جدیدی در حوزه‌های شبیه‌سازی سیستم‌های عامل محور، روش‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین مبتنی‌ بر داده‌های واقعی در این آزمایشگاه دنبال می‌شود.
زمینه‌های کاربردی شامل برنامه‌ریزی تامین و مسیریابی در سیستم‌های لجستیکی، بهینه­‌سازی تولید از مخازن نفت و گاز، برنامه‌ریزی تولید در پالایشگاه و واحدهای پتروشیمی، پیش‌گیری از خرابکاری در شبکه، داده‌کاوی در تشخیص بیماری، زمان‌بندی اطاق عمل، شبیه‌سازی بخش اورژانس است.
علاوه بر این، به‌کارگیری الگوریتم‌های موجود در تحقیقات دانشجویان تحصیلات تکمیلی نیز از اهداف این آزمایشگاه است. همچنین مدل‌سازی ریاضی جهت حوزه‌های تحقیقاتی مختلف از جمله مکان‌یابی و جانمایی، سیستم‌های تولیدی، زنجیره‌های تامین، تجارت الکترونیک و غیره از دیگر اهداف این آزمایشگاه است. در این خصوص هدف برقراری ارتباط با صنعت و حوزه‌های خدماتی جهت مدل‌نمودن و بهینه‌سازی مسایل دنیای واقعی و ایجاد بهبود در سیستم‌های موجود است.
برای مواجهه با مسائل این حوزه‌ها، می‌توان از رویکردهای متنوعی بهره گرفت. از جمله این رویکردها می‌توان به رویکردهایی مانند بهینه­‌سازی عددی، بهینه‌سازی محدب، تحلیل پوششی داده‌ها، برنامه‌ریزی پویا و رویکردهای هیبریدی اشاره نمود.