아주대학교 대학원에는 자연과학대학 소속 4개 전공인 수학, 물리학, 화학, 생명과학의 대학원 과정이 설치되어 있다. 또한 2차 두뇌한국(BK) 21 사업에서 선정된 대형 사업단을 운영하는 대학원 분자과학기술학과 및 에너지시스템 학부에도 기초과학 4개 전공을 이수한 학생들을 위한 대학원 과정이 설치되어 있다.
자연과학대학 관련 대학원에는 모두 석사과정, 박사과정과 석박사 통합과정이 설치되어 있다. 자신의 진로에 맞는 과정을 선택하여 지정된 학위 수여요건과 종합시험을 통과할 경우 관련 전공의 석사 학위 또는 박사 학위를 수여받게 된다. 대학원을 수료한 학생들은 주로 대학이나 공공기관 및 산업계 연구소로 진출하여 교육 및 연구를 담당하게 된다.
아주대학교 자연과학대학 대학원은 학부의 전공 평가에서처럼 대학원 학과 평가에서도 최우수 또는 우수 평가를 받은 바 있어 자연과학대학 대학원이 교육과 연구에 있어 우수하다는 것을 객관적으로 인정받은 바 있다. 앞으로도 대학원에 진학한 학생들이 연구에만 전념할 수 있도록 계속해서 장학 혜택을 늘리고 연구시설을 현대화해 나가려고 노력하고 있다. 아울러 국제화를 위해 외국인 대학원생과 영어 강의의 수를 점차적으로 늘려가고 있다.