Naturvetenskap är en sammanfattande benämning på de vetenskaper som behandlar fenomen i naturen och de lagar dessa följer. Intimt förbundet med naturvetenskap är matematik som i stor utsträckning utnyttjas som hjälpmedel av naturvetenskapen. Med hjälp av matematiska modeller beskriver forskarna olika sammanhang i naturen, allt från minsta cell till fenomen i universum. Naturvetenskap omfattar huvudämnena biologi, geovetenskap, kemi och fysik. Vid fakulteten finns även matematikämnena representerade. Det nyaste tillskottet inom fakulteten är teknisk forskning och den 1 januari 1999 bytte fakulteten namn till teknisk-naturvetenskaplig fakultet.
Vid Umeå universitet har biologi- och kemiämnena i viss mån en dominerande ställning. Inom molekylärbiologi ligger universitetet i den absoluta internationella forskningsfronten. Andra spjutspetsområden är miljö och ekologi samt skogsbioteknik och kemi. Många projekt är tvärvetenskapliga, dvs. präglas av samarbete mellan olika ämnen.
Inom fysikämnet bedrivs bl.a. rymdforskning, såväl i Umeå som i Kiruna. Inom matematikområdet finns en för Sverige unik forskarskola i matematisk didaktik, dvs. matematikundervisning och lärande i klassrummet. Inom dataområdet kan nämnas den högklassiga forskningen inom området parallella beräkningar, dvs. hur omfattande och komplicerade beräkningar kan lösas med hjälp av datorer.