NTU理學院College of Science (CoS) 成立於2007年，由三大院系組成：2002年成立的生物科學院（School of Biological Sciences）、2005年成立的物理與數學科學院（School of Physical and Mathematical Sciences）和最新於2015年成立的亞洲環境學院（Asian School of the Environment）。
生物科學院
生物科學院（SBS）的本科專業有藥物化學和藥理學、食品科學、結構生物醫學、生物科學及心理學、生物醫學科學及生物商學、生物醫學和中醫學雙學位。生物醫學和中醫學雙學位課程是與北京中醫藥大學聯辦。畢業生將獲頒南大生物醫學理學士榮譽學位以及北京中醫藥大學的醫學中醫專業學士學位。
研究生教育則專注於通過課程和實驗室項目來培養科研人才，均為博士項目，其研究領域如下 所示。
生命科學理學碩士項目（M.Sc. Life Sciences）隸屬教育學院，是為滿足職業教師、理工科畢業生或者對生命科學感興趣的人士專業知識提升的需求而設計的。課程內容不僅涵蓋理論知識基礎，同時注重學生必要的實驗技能、動手能力的培養。項目課程設置多元化，從而能滿足不同學術背景的人士的需求。學制1年。
物理與數學科學學院
物理與數學科學院(SPMS)設立於2005年，包含3個院系：化學與生物化學（Chemistry and Biological Chemistry）、數學科學（Mathematical Sciences）和物理及應用物理（Physics and Applied Physics）。
在化學專業的國際排名上，全球化學專業最好的大學中NTU排第四，QS世界大學化學學科排名中NTU排第九。
SPMS擁有超過100名教職工、250名全職研究員和25名行政人員，2000餘名本科學生和350餘名研究生。
SPMS學院提供的碩士項目有研究型化學碩士項目（M. Sc. Chemistry）、分析學碩士項目（M. Sc. Analytics）和金融科技碩士項目（M. Sc. Financial Technology）。
研究型化學碩士項目結合課程與科研，學生既需要完成課業要求，同時需要參與科研，但科研要求標準低於博士項目。學制1-3年。
分析學碩士項目旨在為碩士研究生提供分析學技巧方面的培訓。學科內容涉及了多個學院，包括物理與數學科學學院、計算機工程學院 以及南洋商學院。學制1年。
金融科技碩士項目由物理和數學科學學院聯合舉辦，課程以數據科學、人工智慧和信息技術為基礎，幫助學生掌握金融自動化（如智能投顧）和金融密碼學（如區塊鏈技術）等方面的領先技術。學制1年。
博士項目涵蓋以下研究領域。
亞洲環境學院
亞洲環境學院（ASE）是一個年輕的跨學科學院，結合了地球環境科學、生態學、工程與技術、人類生態學、人類學和社會科學，致力於解決以東南亞為重點的氣候變化、地質災害、可持續發展和全球環境變化等環境問題。NTU環境研究在QS世界大學專業排名中為第14名。
ASE的本科課程結合實地考察、理論和實驗室研究，為學生提供靈活的課程選擇以及培養學生多方面能力。小型的規模實現了交互式教學環境，並且學生有機會獲得海外交換經驗。其專業有地球環境系統科學以及與公共政策和國際事務結合的雙學位。
ASE的研究生項目只有博士項目，博士生需要修滿6-8門課程並完成科研研究，以獲得相關碩士學位的學生可減免一半的課程。學制4年，其研究領域如下。
招生情況
2019-2020學年，理學院共招收本科生3541名，授課型研究生84名，研究型研究生531名。其中碩博項目的具體情況如下。（三列數據分別對應授課型、研究型、單行總數）
薪資情況
理學院本科畢業生平均就業率在85%左右，其中數學與經濟專業的就業率達到96.3%之高！畢業後每月工資中位數為S$3500左右。以下為2019年發布的NTU理學院本科畢業生薪資統計報告。
知名校友
Mr Lim Cheng Eng 林清榮先生
（理學院/1967年畢業班）
林先生從不吝於分享自己經商的心得與經驗，積極參與各種公會組織與社區團體扶持同儕。其中包括新加坡中華總商會、新加坡中國商會和新加坡林氏大宗祠等。為表彰林清榮先生帶領家族企業取得長足躍進，南洋理工大學頒予2018年南洋校友成就獎。
Mr Tan Sri Dato』 Lim Kuang Sia 林寬城先生
（理學院 / 1975年畢業班）
作為橡膠企業高產柅品Kossan Rubber Industries Bhd.的CEO，林寬城先生不僅通過科技創新帶領公司屢創非凡巔峰，在社會慈善福利事業中其基金會也在教育、健康、環境和文化等方便做出巨大貢獻。林寬城先生獲得2018南洋校友成就獎。
Mr Zhang Yizhong Albert 張藝鍾先生
（生物科學院/2010年畢業班）
張藝鍾先生是南大孵化起步公司AiTreat 的創辦人，這家公司以研發能進行傳統按摩的機器人Emma而聞名，目前全球已有20間公司有意投資Emma 。張先生是2018南洋傑出青年校友獎的得主之一
Ms Annabelle Kwok Shi Min 郭詩敏女士
（數理科學院/2015年畢業班）
郭詩敏女士畢業後創辦了兩家公司：SmartCow專門製造企業級人工智慧部署設備，和NeuralBay專門從事視覺分析的人工智慧公司。她曾多次登上知名雜誌報道，獲得2018年《海峽時報》「新加坡年度人物」提名等榮譽，並在世界各地舉行講座。郭女士也不忘回饋社會，積極為「Make-a-wish」新加坡慈善組織提供志願服務。郭女士獲得2019南洋傑出青年校友獎。
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