前沿科学研究板块，是松山湖材料实验室下设四大核心板块之一，是以前沿研究为基础，瞄准材料领域基础科学前沿问题，针对我国材料领域的“卡脖子”问题，实现相关科学技术领域的原始性重大突破、攻克产业核心关键技术、破解关键领域重大科技难题的平台。 从而充分发挥基础研究对材料科学和工程技术的创新源头作用，打通从基础科学发现、关键技术突破到产业应用前期的完整创新链，并积极推动实现材料科学重大原创性突破和重大成果转移转化。
松山湖实验室的前沿研究板块目前已布局十大前沿科学研究方向，非晶材料团队、二维材料团队、生物界面团队、新能源催化团队、实用超导薄膜研究团队、先进陶瓷团队、半导体/光伏材料与器件、计算机辅助材料设计及硅异质外延团队等多个团队已进驻。其中，由汪卫华院士领衔的非晶材料团队研究成果“基于材料基因工程研制出高温块体金属玻璃”入选“2019年中国科学十大进展”。
