ATLAS实验的主要目标是探索形成我们宇宙的物质的基本特性和基本作用力，包括寻找和研究假想中的希格斯粒子。科学家希望，从加速器内巨大碰撞中出现的粒子里能够包括一种叫做希格斯的玻色子，因为根据粒子物理的标准模型，正是希格斯导致了质量的产生。ATLAS探测器将用于测量这些碰撞的碎片，用以寻找希格斯玻色子和超对称粒子等超出了标准模型的新物理现象，科学家希望用该实验装置去验证万物统一理论。
ATLAS实验还将探索物质和反物质之间的差异、宇宙“大爆炸”初期产生的夸克—胶子等离子体，以及进一步探讨自发对称破缺和各种粒子质量的来源，探索新的规范玻色子，研究新发现的顶夸克及相应层次粒子的各种特性等。