La formation doctorale dispensée dans les laboratoires de l'ESPCI ParisTech a pour objectif de former des docteurs de haut niveau se destinant soit à une carrière d'innovation et de recherche dans l'industrie, soit à une carrière de chercheur ou d'enseignant-chercheur.

Un vaste choix de sujets de thèse est offert par les 17 laboratoires de l'ESPCI ParisTech en physique, chimie et biologie. Un nombre important des thèses préparées à l'ESPCI ParisTech est effectué dans le cadre d'une collaboration avec un industriel.

L'ESPCI est co-accréditée dans 4 écoles doctorales de la région parisienne :

• ED 381 : Constituants élémentaires - Systèmes complexes, avec les universités Paris 6, Paris 7, Paris 11 et l'École Normale Supérieure
• ED 388 : Chimie Physique et Chimie Analytique de Paris Centre, avec les universités Paris 6, Paris 7 et l'École Normale Supérieure
• ED 389 : La physique de la particule au solide, modèles et expériences avec l'université Paris 6
• ED 404 : Physique macroscopique, avec les universités Paris 7, Paris 11 et l'École Normale Supérieure

En 2008, 240 doctorants préparaient leur thèse à l'ESPCI ParisTech.