Program studi doktoral ITS bertujuan untuk menemukan/mengembangkan teori gagasan ilmiah baru serta memberikan kontribusi pada pengembangan serta pengamalan ilmu pengetahuan. Program doktoral dapat ditempuh dengan waktu studi delapan semester (empat tahun). Dengan beban kredit rata-rata 42-45 SKS yang terdiri dari mata kuliah utama, mata kuliah pendukung, penelitian dan penulisan tesis atau disertasi sesuai dengan kurikulum. Program Doktoral ITS menyediakan 16 pilihan program studi yang dapat dipilih berdasarkan 6 bidang Fakultas. Fakultas Sains dan Analitika Data menyediakan 4 program studi. Fakultas Teknologi Industri dan Rekayasa Sistem menyediakan 4 program studi. Fakultas Teknik Sipil, Perencanaan dan Kebumian menyediakan 3 program studi. Fakultas Teknologi Kelautan menyediakan 2 program studi. Fakultas Teknologi Elektro dan Informatika Cerdas menyediakan 2 program studi. Fakultas Desain Kreatif dan Bisnis Digital menyediakan 1 program studi. Untuk informasi lebih lanjut tentang aplikasi dan persyaratan program doktor dapat diperoleh di SMITS.
Pendidikan program doktor fisika diawali dengan kegiatan perkuliahan, dan dilanjutkan dengan ujian kualifikasi sebelum penelitian untuk disertasi. Fokus bidang studi keahlian meliputi Fisika Material, Geofisika, Opto-Elektronika, dan Fisika Teori.
Program studi ini mengembangkan penelitian pada bidang matematika terapan yang didukung oleh kemampuan analisis dan komputasi yang kuat. Bidang-bidang penelitian meliputi aljabar max plus, sains data, teori graf, komputasi dinamika fluida, sistem dinamik, matematika finansial, bioinformatika, teori sistem, asimilasi data dan pengolahan citra.
Program ini mewujudkan pusat pendidikan dan penelitian di bidang Statistika yang mapan dan kuat dalam penelitian, diarahkan pada bidang teori Statistik dan aplikasinya pada industri dan bisnis.
Fokus bidang studi keahlian meliputi Kimia Bahan Hayati dan Sintesis, Geokimias Organik, Sintesis dan Karakterisasi Katalis, Kimia Bioorganik dan Biokatalis, Kimia Fisika, Fotokimia, Elektroplanting, Metode Limbah Industri dan Domestik.
Program studi ini diperuntukkan bagi mahasiswa yang ingin mengembangkan keterampilan mereka untuk menciptakan dan menemukan pengetahuan baru, mengarahkan dan memimpin kelompok penelitian. Fokus bidang studi keahliah meliputi Rekayasa Perancangan dan Manufaktur dan Rekayasa Konversi Energi.
Di program ini peserta didik akan merancang dan mengimplementasikan riset di bidang proses dan sistem pemrosesan secara kimia, fisika, dan biologi untuk menghasilkan pengetahuan baru yang bermanfaat.
Fokus bidang studi pada program ini meliputi Rekayasa Instrumentasi Industri, Rekayasa Energi dan Pengkondisian Lingkungan, Rekayasa Bahan, Vibrasi dan Akustik, dan Rekayasa Fotonika.
Fokus bidang studi keahlian meliputi Manajemen Kualitas dan Manufaktur, Optimasi Sistem Industri, Manajemen Logistik dan Rantai Pasok, Ergonomi dan Keselamatan Industri, Manajemen Kinerja dan Strategis. Peserta didik akan melakukan penelitian berkualitas tinggi yang menghasilkan kontribusi yang signifikan untuk bidang Teknik Industri.
Fokus bidang studi keahlian program ini meliputi Geoteknik Struktur, Manajemen Proyek Konstruksi, Manajemen dan Rekayasa Sumber Air, dan Manajemen Aset.
Fokus bidang studi keahlian meliputi Perumahan dan Pemukiman; Teori, Sejarah, dan Kritik Arsitektur; Perancangan Kota; Arsitektur Lingkungan; Studi Pembangunan; Manajemen Pembangunan Kota; Perancangan Arsitektur; Real Estate; dan Pendidikan Profesi Arsitektur.
Fokus bidang studi keahlian meliputi segala yang berhubungan dengan keilmuan Teknik Lingkungan. Terdapat dua fokus bidang studi yaitu Rekayasa Pengendalian Lingkungan dan Pengelolaan Prasarana Lingkungan.
Program studi doktor Teknik Sistem Perkapalan merupakan bidang studi yang menawarkan pendidikan lanjut dalam hal pendalaman dan kebaharuan keilmuan yang berkaitan dengan kapal, bangunan laut, pelabuhan hingga ilmu kelautan dan perikanan dengan sudut pandang ilmu permesinan, sistem fluida, kelistrikan, keandalan, serta desain sistem manufaktur.
Program doktor Teknik Kelautan meningkatkan kemampuan pengembangan ilmu secara mandiri dan kemampuan manajemen pada tingkat yang memadai agar mampu menggunakan kemampuan teknologi kelautan yang efektif dan efisien dalam pemecahan permasalahan pembangunan.
Fokus bidang penelitian pada program ini meliputi Konversi Energi Listrik dan Energi Baru Terbarukan, Sistem Tenaga Listrik Cerdas, Teknik Pengaturan, Antenna dan Propagasi, Komunikasi Multimedia, Jaringan Telekomunikasi, Elektronika, Teknik Biomedika, Intelligent System, Teknik Komputer, Teknologi Game dan Telematika.
Terdapat delapan fokus bidang studi keahlian yang meliputi Komputasi Cerdas dan Visi; Komputasi Berbasis Jaringan; Rekayasa Perangkat Lunak; Algoritma dan Pemrograman; Dasar dan Terapan Komputer; Interaksi, Grafika, dan Seni; Manajemen Informasi; dan Arsitektur dan Jaringan Komputer.
Terdapat delapan fokus bidang studi keahlian yang meliputi Manajemen Strategi, Manajemen Industri, Manajemen Proyek, Manajemen Teknologi Informasi, Manajemen Rantai Pasok, Manajemen Bisnis Maritim, Analitika Bisnis dan Manajemen Desain Inovasi.