L'école abrite un grand nombre de laboratoires de recherche.
Laboratoire dirigé par Philippe Sautet.
Laboratoire de l'Informatique du Parallélisme dirigé par Gilles Villard.
Unité de mathématiques pures et appliquées dirigée par Laurent Berger.
Laboratoire de physique dirigé par Jean-François Pinton. Ce laboratoire s'intéresse notamment à la physique théorique et non-linéaire.
Laboratoire des Sciences de la Terre dirigé par Gilles Dromart. L'Institut National des Sciences de l'Univers du CNRS (INSU) a décidé depuis de nombreuses années d'installer au LST certains de ses instruments nationaux de mesure.
Depuis la création du nouvel établissement en 2010, l'ENS de Lyon propose des formations à la fois en sciences, en lettres et en sciences humaines.
Il existe six départements en sciences : biologie, chimie, géologie, informatique, mathématique et physique.
Il existe également six départements en lettres et sciences humaines : arts ; langues, littératures et civilisation étrangères ; lettres ; sciences humaines ; sciences sociales.
Cinq voies sont possibles pour la troisième année de licence : biologie fondamentale, informatique fondamentale, mathématiques fondamentales, sciences de la matière avec mention physique ou chimie, sciences de la Terre et des planètes.
L'ENS propose également une grande variété de masters :
5 master recherche en Sciences (Master Biosicences, Informatique fondamentale, Mathématiques et applications, ingénierie mathématique ou mathématiques avancée, Spécialité Physique et chimie de la Terre et des planètes et Spécialité Paléontologie, sédimentologie, paléoenvironnement, Sciences de la matière Spécialité Physique ou Chimie.)
36 master recherche en Langues, Lettres, Sciences humaines et sociales.
Une grande partie des élèves ainsi formés obtiennent l’agrégation et/ou une thèse de doctorat. Son caractère prestigieux en fait une grande école très convoitée. Elle recrute ses élèves par concours et sur dossier.
Les élèves normaliens sont recrutés par concours. Le concours est principalement destiné aux étudiants en classes préparatoires, et est composé d'une banque d'épreuves communes aux trois ENS. Il est également possible d'intégrer l'ENS Lyon pour les étudiants issus des filières universitaires via le second concours. Une centaine d'élèves dits normaliens sont ainsi admis chaque année, obtenant le statut de fonctionnaire-stagiaire, et sont rémunérés durant quatre ans, avec possibilité d'un financement supplémentaire de trois ans pour les élèves décidant de faire un doctorat.
Durant ces quatre années ces élèves peuvent suivre deux parcours classiques : Licence, Master 1, Master 2, première année de thèse ou Licence, Master 1, Master 2, agrégation. D'autres parcours peuvent également être envisagés, les changements de département étant autorisés avec l'accord des directeurs de départements (il n'est ainsi pas rare de voire des élèves en biologie s'en aller en informatique et réciproquement).
D'autres étudiants, appelés auditeurs, sont recrutés sur dossier. Ils ne disposent pas du statut de fonctionnaire ; ils ne sont donc pas rémunérés au titre de leurs études. Issus des DEUG scientifiques, des IUT et des classes préparatoires, ils suivent les mêmes cours et reçoivent les mêmes diplômes que les normaliens, mais ne peuvent se prévaloir du statut d'ancien élève.
Les élèves bénéficient d'une formation à la recherche de très haut niveau, avec de nombreux stages en laboratoire. Par exemple, dans le cadre d'un parcours en biologie l'étudiant effectuera :
En 1re année : 7 semaines de travaux pratiques et 7 semaines de stage en laboratoire.
En 2e année et 3e année : 3 fois 14 semaines de stage en laboratoire (minimum) et 1 UE "Europe". Les UE Europe sont des cycles de conférences organisées par l'ENS de Lyon, où des chercheurs français et étrangers sont invités à présenter leur résultats.
L'ENS de Lyon organise la préparation au concours externe de l'agrégation dans 16 disciplines :
D'après l'école, le taux de réussite à l'agrégation était d'environ 70 % en 2009 pour les sciences, ce qui en fait l'une des ou la meilleure classe préparatoire à l'agrégation de France.