Mechatronik ist die höchstmögliche Integration von Mechanik, Elektronik und Informatik bis hin zu den „intelligenten Mechanismen“ und Robotern, die mit ihrer Umwelt interagieren. Entscheidend ist dafür auch die „ganzheitliche“ Auslegungsoptimierung und 3D-Simulation solcher Systeme und Komponenten, bevor man sie hardwaremäßig aufbaut. Dementsprechend liegt die fachliche Basis des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik im interdisziplinären (virtuellen) Entwurf, der rechnergestützten Optimierung und Simulation, aber natürlich auch der Realisierung komplexer mechatronischer Systeme und Mensch-Maschine-Interfaces. In der Robotik gilt das Institut als eines der weltweit führenden.
Vor allem im Bereich der Raumfahrt ist das zentrale Ziel die Entwicklung innovativer Robotersysteme bis hin zu künftigen Robonauten, die Astronauten entlasten und langfristig auch ersetzen sollen. So hat das Institut 1993 mit der Raumfähre COLUMBIA den ersten ferngesteuerten Roboter ROTEX in den Weltraum geschickt, 1999 den ersten frei im Weltraum fliegenden japanischen ETS VII-Roboter fernprogrammiert und ist jetzt dabei, Ende 2004 auf der Raumstation die Gelenke seiner neuesten Leichtbau-Robotergeneration zu erproben und dabei auch Konzepte der Telepräsenz zu demonstrieren. Zusammen mit den 4-fingrigen künstlichen Händen aus dem Institut entstehen so die zentralen Bausteine für die Robonauten der Zukunft.
Im Bereich der Luftfahrt konzentriert sich das Institut (zum Teil in enger Kooperation mit den Firmen AIRBUS und LIEBHERR) auf die Auslegung von Flugreglern z.B. zur automatischen Landung, Böen-Abminderung, Flatterunterdrückung und Komfortsteigerung, aber auch auf die Optimierung des Energieverbrauchs.
In der Fahrzeugtechnik sind vor allem Dynamik-Analysen von Fahrzeug-Komponenten und Gesamtsystemen (z.B. zur Schleuder- und Kipp-Vermeidung bei Nutzfahrzeugen), aber auch die Entwicklung mechatronischer Komponenten im Bereich „drive by wire“. So wurde der hochdotierte, bei der Hannover-Messe-Eröffnung 2004 erstmals vergebene HERMES-Award, den Entwicklern der mechatronischen DLR-Keilbremse (innovatives „brake by wire“-Konzept) verliehen.
Viel Anerkennung hat aber auch das Engagement des Instituts in der Medizintechnik gefunden. So wurde 2003 das „DLR-Herz“ mit dem Europäischen Innovationspreis für künstliche Organe ausgezeichnet, und nach dem schon 1995 die erste vollautomatische Laparaskop-(Endoskop-)Führung in der minimal invasiven Chirurgie gelungen war, entwickelt das Institut jetzt im Auftrag der Medizintechnik- Industrie ein minimal invasives Chirurgie-Robotik-System der Zukunft.