Trường ĐHKHTN luôn phấn đấu giữ vững và nâng cao chất lượng đào tạo, không chạy theo số lượng, với mục tiêu đào tạo trình độ cao và chất lượng cao. Quy mô đào tạo của Trường hàng năm giữ ổn định sinh viên hệ đại học chính quy, giảm dần sinh viên hệ đại học vừa làm vừa học; tăng quy mô sau đại học nhất là đào tạo nghiên cứu sinh.
Trường thuộc số ít đơn vị trong cả nước thực hiện đào tạo sau đại học với tỷ lệ học viên sau đại học lớn hơn 30% tổng số sinh viên đại học chính quy.
Trường đã tích cực thực hiện chủ trương đổi mới giáo dục đại học của Đảng và Nhà nước. Từ năm 2007, Trường đã triển khai áp dụng các yếu tố tích cực của phương thức đào tạo tín chỉ và đến năm 2010 thì đã triển khai đào tạo theo phương thức tín chỉ toàn phần; thực hiện đổi mới phương pháp giảng dạy và học tập; đổi mới công tác quản lý đào tạo. Nhà trường đã chuyển đổi toàn bộ khung chương trình đào tạo ở bậc đại học và sau đại học để phù hợp với phương thức đào tạo tín chỉ. Tất cả môn học đã được soạn lại đề cương chi tiết theo quy định của ĐHQGHN. 100% môn học có giáo trình, bài giảng.
Trường đang áp dụng tốt việc ứng dụng CNTT trong công tác đào tạo. Cổng thông tin đào tạo ngày càng phục vụ tốt hơn công tác giảng dạy và học tập. Mỗi sinh viên đều được cấp tài khoản để truy cập thông tin có liên quan đến công tác đào tạo của Trường. Việc tổ chức thi cuối được tổ chức chung, nghiêm túc, công bằng, khách quan. Công tác lấy phiếu góp ý của học sinh, sinh viên và học viên cao học về quá trình giảng dạy đã được thực hiện ở hầu hết các môn học.
Nhằm thực hiện đổi mới giáo dục đại học, nâng cao chất lượng đào tạo hướng tới hội nhập trình độ khu vực và quốc tế, nhà trường đã và đang triển khai thực hiện có hiệu quả các dự án đào tạo đặc biệt. Đến nay, Trường đã được Bộ GD&ĐT giao nhiệm vụ triển khai thực hiện 4 đề án đào tạo theo chương trình tiên tiến. Trường đã chủ động tìm các trường đại học có thứ hạng cao trong top 100 trường tốt nhất của thế giới để hợp tác triển khai thực hiện 4 đề án được giao. Trường thực hiện đề án đào tạo ngành Hóa học với đối tác là Trường đại học Illinois at Urbana and Champaign (Hoa Kỳ) từ cuối năm 2005; đề án đào tạo ngành Toán học với đối tác là Trường đại học Washington, Seattle (Hoa Kỳ) từ cuối năm 2007; đề án đào tạo ngành Khoa học Môi trường với đối tác là Trường đại học Indiana (Hoa Kỳ) từ cuối năm 2009; đề án đào tạo ngành Vật lý hạt nhân với đối tác là Trường đại học Wisconsin (Hoa Kỳ) từ năm 2012.
Để đẩy mạnh tiến độ nâng cao chất lượng đào tạo, Trường ĐHKHTN đã tích cực xây dựng đề án phát triển các ngành và chuyên ngành đạt trình độ quốc tế. Trường cũng là đơn vị duy nhất được ĐHQGHN tin tưởng giao thực hiện nhiều dự án nhất (3 trong tổng số 7 dự án đào tạo trình độ đại học và 2 trong 6 dự án đào tạo trình độ sau đại học). Đối tác mà Trường lựa chọn đều là những trường đại học nổi tiếng có chất lượng cao của thế giới, cụ thể là:
- Ngành Vật lý với đối tác là Đại học Brown (Hoa Kỳ)
- Ngành Sinh học với đối tác là Đại học Tufts (Hoa Kỳ)
- Ngành Địa chất với đối tác là Đại học Illinois at Urbana and Champaign (Hoa Kỳ)
- Chuyên ngành Hóa hữu cơ đào tạo thạc sĩ và tiến sĩ với đối tác là Đại học Rennes I (Pháp)
Để thực hiện đổi mới giáo dục đại học, nhà trường nhận thức rằng, thực hiện các đề án đào tạo chất lượng cao với đối tác nước ngoài có uy tín là thời cơ và là cơ hội thuận lợi để nhà trường xây dựng các Khoa sớm đạt trình độ khu vực và quốc tế như mục tiêu chiến lược nhà trường đã đề ra. Thông qua thực hiện các đề án này, Nhà trường đã cử được nhiều cán bộ đi trao đổi, thực tập chuyên môn ngắn hạn tại các trường đại học đối tác. Trình độ chuyên môn và tiếng Anh của cán bộ giảng dạy được tăng cường. Giáo trình đào tạo được đổi mới.
Nhà trường tiếp tục thực hiện đào tạo hệ cử nhân khoa học tài năng (CNKHTN). Năm 2017, Trường đã tổng kết 20 năm đào tạo CNKHTN, kết quả đào tạo CNKHTN và chất lượng cao của nhà trường đã được ĐHQGHN, Bộ GD&ĐT và các trường đối tác nước ngoài đánh giá cao, góp phần tích cực thực hiện chiến lược phát hiện, bồi dưỡng và đào tạo nhân tài của Đảng. Hệ đào tạo này đã góp phần tích cực vào nâng cao uy tín của Trường ở trong và ngoài nước.
Nhà trường luôn luôn quan tâm đến chất lượng đào tạo sinh viên, giúp họ hình thành một phương pháp học tập độc lập, chủ động và sáng tạo. Hàng năm, sinh viên của Trường đã tích cực tham gia Olympic sinh viên toàn quốc các môn Toán, Cơ học, Vật lý, Hóa học, Tin học và đã đạt được nhiều giải cao. Hàng năm có nhiều sinh viên được chuyển tiếp học sau đại học. Số lượng sinh viên tốt nghiệp tiếp tục học cao học vào khoảng 50%.
Các chương trình đào tạo Đại học chính quy đang thực hiện tại Trường gồm có:
+ Chương trình đào tạo chuẩn;
+ Chương trình đào tạo Cử nhân khoa học tài năng;
+ Chương trình đào tạo chất lượng cao;
+ Chương trình đào tạo học phí tương ứng với chất lượng đào tạo, đáp ứng Thông tư 23/2014 của Bộ GDĐT;
+ Chương trình đào tạo tiên tiến;
+ Chương trình đào tạo chuẩn quốc tế;
+ Chương trình đào tạo tăng cường tiếng Pháp;
+ Chương trình đào tạo bằng kép (SV tốt nghiệp được nhận đồng thời 02 bằng tốt nghiệp).
Hệ THPT chuyên của Trường vẫn giữ được truyền thống về chất lượng đào tạo thông qua kết quả thi tuyển sinh đại học và các kỳ thi Olympic quốc gia, quốc tế. Hệ THPT chuyên của Trường luôn nằm trong top 10 các trường THPT của cả nước có kết quả thi tuyển sinh đại học cao nhất. Thực hiện chủ trương đổi mới công tác quản lý hệ THPT Chuyên, năm 2010, Trường THPT chuyên Khoa học Tự nhiên được thành lập trên cơ sở hợp nhất 4 khối THPT Chuyên.
Hàng năm, nhà trường đã tích cực chủ động tổ chức các lớp bồi dưỡng nghiệp vụ chuyên môn vào dịp hè cho các thầy cô giáo ở các trường THPT chuyên trên cả nước. Các lớp bồi dưỡng nghiệp vụ này luôn được các thầy cô giáo và lãnh đạo các Trường THPT chuyên đánh giá cao.
Hợp tác quốc tế trong đào tạo là thế mạnh của nhà trường. Nhà trường chủ trương đẩy mạnh hợp tác quốc tế trong đào tạo, khuyến khích các đơn vị, các nhà khoa học tìm kiếm các đề tài, dự án hợp tác. Trong 5 năm trở lại đây, nhà trường đã có bước tiến quan trọng trong việc mở ra các dự án phối hợp đào tạo sau đại học. Trường là đơn vị duy nhất trong cả nước thực hiện thành công nhiều dự án trong đề án 322 do Bộ GD & ĐT quản lý, trong đó đã thực hiện:
- Đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ hợp tác với Đại học Greifswald của Đức
- Đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ chuyên ngành khoa học và công nghệ nano hợp tác với Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Nhật Bản (JAIST) của Nhật Bản
- Đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ chuyên ngành khoa học và công nghệ môi trường với Viện GIST của Hàn Quốc
- Đào tạo thạc sĩ chuyên ngành quản lý chất thải và xử lý vùng ô nhiễm với Đại học Kỹ thuật Dresden của Đức
- Đào tạo thạc sĩ chuyên ngành Hóa vật liệu hữu cơ với Đại học Toulon (Pháp)
- Đào tạo thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ hạt nhân và Vật lý hạt với Đại học Bordeaux (Pháp)
- Đào tạo thạc sĩ chuyên ngành Địa chính với Viện ITC của Hà Lan; Đào tạo cử nhân ngành Hoá học với Đại học Toulon của Pháp, do phía Pháp cấp bằng.
Sau đề án 322, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên lại tiếp tục được Bộ Giáo dục và Đào tạo giao nhiệm vụ đào tạo trình độ tiến sĩ theo “Đề án đào tạo giảng viên có trình độ tiến sĩ cho các trường đại học, cao đẳng giai đoạn 2010-2020” (Đề án 911) với cả hai phương thức đào tạo:
- Tại trường: 37 chuyên ngành.
- Phối hợp với Đại học Kitakyushu (Nhật Bản): Chuyên ngành Kỹ thuật môi trường.
Thông qua các dự án hợp tác đã mời được nhiều giáo sư nước ngoài sang giảng dạy, cử được nhiều cán bộ đi học tập hoặc trao đổi ngắn hạn ở các nước đối tác.
Hiện nay, Trường quản lý và tổ chức đào tạo 46 chuyên ngành đào tạo thạc sĩ và 48 chuyên ngành đào tạo tiến sĩ.
Quy mô đào tạo của Trường hiện nay gồm:
- Đào tạo đại học:
- Đại học chính quy: 5265
- Vừa làm vừa học: 35
- Đào tạo sau đại học:
- Cao học: 1788
- Nghiên cứu sinh: 300
- Đào tạo THPT chuyên: 1456