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在基礎研究領域，日本2004年成就卓著，獲得多項重大發現。
1月7日，日本信州大學、大阪大學和築波物質材料研究所聯合研究小組宣布，開發出一種由摻有二氧化鈦粒子的環氧樹脂制成的、充滿空洞的立方體，該立方體能夠神奇地把電磁波儲存起來。專家認為，這一技術不僅將能夠用來儲存電磁波，並將其轉變成電能，還可用來制造能夠儲蓄光的『光池』。研究小組下一步將致力研究白天可儲存光能，夜間再釋放使用的『光池』，以及用空中電磁波作電源的手機等實用技術。
從1987年觀測到來自超新星的中微子至今，中微子研究已發展為基本粒子物理學及宇宙物理學的基礎科學。2004年6月11日，由十國科學家組成的研究小組通過實驗證實，基本粒子中微子具有質量的概率為99.99%。日本高能加速器研究機構和東京大學宇宙射線研究所參與了此項實驗。1998年，日本科學家曾推斷中微子具有質量，這次實驗則是對該推斷正確性的驗證，對揭開宇宙物質和反物質之謎有重要意義。
不過，盡管已經證實中微子具有質量的概率為99.99%以上，但科學家並不了解中微子振蕩的詳細情況。不過他們很快就再接再厲，取得了輝煌戰果。7月5日，時隔不足1個月，多國科學家成功觀測到中微子振蕩現象，聯手驗證了基本粒子理論。由日本17家研究機構、其他國家19家研究機構共138名科學家組成的國際聯合研究小組利用東京大學宇宙射線研究所的超級監測器SK，直接觀測到中微子具有質量的證據———『中微子振蕩現象』，驗證了中微子理論。
日本理化學研究所8月24日也宣布了一項驚人成果：他們利用高能加速器把K介子的基本粒子打入含有2個質子和2個中子的氦原子核中，結果發現一個質子飛出，K介子緊密連接另一個質子和2個中子，原子核呈現高於通常原子核10倍的密度。這一新物理現象的發現打破了物理學中『原子核密度不變』的傳統定律，對從密度變化角度揭開質量起源具有重要意義。
2004年，日本在天文學領域也取得了不俗戰果：9月，日本名古屋大學利用設置在南美智利的『南天』射電望遠鏡，發現距太陽系16萬光年的大麥哲倫銀河系中存在巨大的無星分子雲。這是人類首次發現還沒有生成新星球的分子雲。分子雲被認為是未形成星球時的初期狀態，人類所在銀河系中的星球都是從分子雲中誕生的。宇宙初期即誕生了很多球狀星團，但目前為止科學家仍不知道它們是如何誕生的。由於大麥哲倫星雲與宇宙誕生初期的狀態相似，這一發現將對球狀星團以及宇宙成長史的研究具有實際意義。
9月21日，日本東北大學利用日本國力天文臺設置在夏威夷的『昴』天文望遠鏡，發現大銀河系正在吞噬附近較小銀河系的證據，由於大銀河系的重力吸引作用，被『撕碎』的較小銀河系散布在長度為50光年的條狀區域，這是繼去年美國哈勃望遠鏡首次觀測到同樣現象後的又一次發現。
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