数学学院拥有全国规模最大、设施最先进、建筑面积约两万多平方米的陈省身数学研究所和全国高校中运算速度最快的高性能超级并行计算机集群系统“南开之星”，以及国内最好、世界先进的数学专业图书馆，学院为“211工程”首批重点学科建设项目和国家重点投资对象，学院拥有基础数学、概率论与数理统计、应用数学三个国家重点学科，2007年数学学科为一级重点学科。学院在基础数学、计算数学、概率论与数理统计、应用数学和生物信息学五个二级学科招收和培养研究生。统计学招收应用统计专业硕士研究生。南开—墨尔本双硕士学位项目招收应用数学与精算科学双硕士学位班。
1993年，国家教委批准数学科学学院（系）为国家基础科学研究与教学人才培养基地，其前身为陈省身先生倡导的于1986年国家批准设立的数学试点班。该基地“培养基础性数学人才的实践”2001年获国家级教学成果一等奖，并被评为天津市特等劳动模范集体，2002年被授予“全国五一劳动奖状”。为进一步拓宽学生知识面，使他们更加了解数学在社会各行业领域的作用，学院从2004年起按照数学类招生，学生在完成两年必修课程后，结合个人的兴趣和学习成绩进行专业的选择和调配。学生在学期间及毕业后，有多种形式的国际合作交流及出国深造的机会，如交换生项目、南开大学-UCLA暑期合作项目、百人计划等等。
数学学科拥有一支学识渊博，治学严谨的师资队伍，包括中国科学院院士3人，教育部长江学者特聘教授4人，国家级教学名师1人，新世纪人才10人。学院现有教师97人，其中正教授47人（含博士生导师37人），副教授27人。
近年来，数学学科在包括《Ann. of Math.》，《Invent. Math.》，《Duke J. Math.》，《Adv. Math.》等数学刊物上发表论文600多篇，其中SCI、EI、ISTP检索350多篇；获得包括国家自然科学奖二等奖（两项）、第三世界科学院数学奖在内的重要奖励16项。龙以明、张伟平教授应邀在2002年国际数学家大会上做了45分钟大会特邀报告。以张伟平为学术带头人的微分几何团队和以李学良为学术带头人的组合数学团队分别于2005和2006年入选教育部长江学者创新团队，微分几何团队被遴选为2007年度国家自然科学基金委的创新团队。另外，在教学方面，南开数学学科共获国家教学成果一等奖、二等奖各一项及其他省部级教学奖多项。学院有3门课被审定为创建“国家理科基地名牌课程”，4门课被评为国家级精品课。学院历来十分重视本科生和研究生的培养工作，学生的培养质量不断得到提高。其中，4人获“全国百篇优秀博士论文”奖，4人获“全国百篇优秀博士论文”提名奖，6人获中国数学会颁发的“钟家庆数学奖”。
由陈省身数学研究所每年召开十多个重要的国际、国内学术会议使数学学科的学术交流日益活跃，与同行的合作更加密切。其次，凭借良好的学科建设基础，我们更加重视数学和统计学的应用研究，特别是于金融风险、网络安全、产品质量、生物信息、图像处理等方向的研究。在应用数学方面，我们继续了代数学与组合学的交叉研究、化学与图论的交叉研究，特别是在组合数学与计算生物学的交叉研究方面取得了突破，并逐步形成了南开数学学科的特色。
数学与应用数学专业
该专业分为基础数学、应用数学和数理金融与精算科学三个专业方向。
基础数学方向主要培养能从事数学基础理论研究和数学教学的优秀人才，同时也为数学类所有其它专业方向，以及数学类之外的其它的基础理论方向（例如理论物理、计算机科学、生物学、信息学、经济学和管理学等）和应用科学方向（如信息与计算机应用、经济与金融领域）等培养具有较高数学素养的专门人才。本方向每年从全国高中数学竞赛的优胜者中保送录取一部分学生以及从高考录取到数学类的考生当中选拔一部分优秀生源组成基地班，由数学学院和陈省身数学研究所共同培养。该班学生还有机会选拔参加伯苓班的学习，具有很好的培养前途。该班聘请优秀教师授课，教学起点高、课程设置齐全、教学内容丰富。教学计划由发达国家的著名高校的著名数学家与学院的专家共同修订，为学生尽早接触数学前沿学科创造了有利条件。本班百分之八十的毕业生被保送或经考试成为国内外数学各个方向以及经济学、信息与计算机、理论物理等方向的硕士研究生或直接攻读博士学位研究生。
该专业开设以下基础课和专业课：数学分析、高等代数与解析几何、数理方程、数学软件、常微分方程、偏微分方程、抽象代数、面向对象程序设计、实变函数、复变函数、泛函分析、概率论、拓扑学、微分几何、现代分析基础、李代数、有限群表示、代数拓扑、数论、图论、抽象函数与巴拿赫代数、组合论、FORTRAN语言等。
应用数学方向的培养目标是通过严格的训练使学生既掌握坚实的数学基础知识和熟练的计算机应用技术，初步具备计算机科学、信息科学以及管理科学，为毕业生今后在数学、经济和管理、计算机科学、信息科学等相关专业的进一步学习打好基础，为国民经济建设培养新型人才。毕业去向主要包括：被保送或经过考试成为数学、经济、管理、计算机等专业的众多方向的研究生，企业公司、金融机构、学校、国家机关等。
学生在本科学习期间除接受数学分析、高等代数与解析几何、面向对象程序设计、概率论、实变函数、常微分方程、复变函数，抽象代数等数学学科的基础课程训练外，其主要学习的相关课程有：运筹学、组合论、图论、控制论基础、数值分析、数学软件、数学建模、操作系统与网络、投资学、精算数学、金融工程、金融信用风险、计量经济学、风险理论、微分方程、随机过程、数理统计、数据结构、代数与编码、统计决策、统计计算与统计软件包等。
数理金融与精算科学方向的培养目标是使学生在扎实的数学、计算机技术和金融经济学基础上掌握各种金融信息分析方法、金融决策技术、金融计算机网络技术及其有关软件的使用，熟悉各种金融产品、金融市场和金融工程，培养能在金融机构及相关领域从事高新技术工作或金融研究的高新技术专业人才。
基础课主要包括数学分析、高等代数与解析几何、面向对象程序设计、概率论、实变函数、常微分方程、复变函数，抽象代数等。专业课程主要包括数据结构、数理方程、运筹学、最优化、控制论基础、投资学、数理金融学、金融统计计算、精算学、风险理论基础、信用风险分析、宏微观经济学、数值分析、数理统计、随机过程、操作系统与网络、网络程序设计、JAVA、数据库、数学建模等。
信息与计算科学专业
南开大学作为教育部开设信息与计算专业的领头羊之一，根据学校的特殊情况，信息与计算科学专业的学生分为两个班，分别归属信息与概率系和科学与工程计算系。归属信息与概率系的简称为信息班。归属科学与工程计算系的简称为计算班。两个班既有交叉，又有区分。首先，不论是信息班还是计算班，都是在前两年共同完成学院开设的必修课，两年后按志愿分别编入信息班与计算班学习。在随后的学习中依然还有一些交叉的课程。区分两个班的不同之处在于培养的宗旨和一些后续课程的差异。
信息方向旨在培养学生具有扎实的数学基础，树立为通讯、数据压缩、密码学、编码理论、信息安全、生物信息学研究的理念，为国内外输送研究生服务。因此，除数学分析、高等代数与解析几何、概率论、实变函数、泛函分析、常微分方程、复变函数、抽象代数等基础课程之外，另增加了信号与系统、小波理论、信息论、密码学和编码理论等标志性的课程。
科学与工程计算方向是伴随着计算机的出现而快速发展起来的一门年轻学科，它主要是通过数学方法并利用计算机去处理科学与工程中出现的各类需要解决的问题，涉及计算物理、计算力学、计算化学、金融保险等多个学科。它运用现代数学理论与方法分析和提高求解各种数学模型的计算可靠性、有效性和精确性，研究各类数值软件的开发技术。主要课程包括数值代数、偏微分方程数值解、数学物理方程、最优化方法、流体力学引论、软件基础、应用软件、计算机图形学等专业必修与选修课程。
信息与计算专业毕业生有广泛的适应性，既可在科研机构、高等学校从事科研和教学工作；也可到计算机公司、财贸金融机构、航天、无线电、遥感、国防、化工、石油、机器制造等部门和高新技术企业工作。近年来，本系本科毕业生约一半免试到中科院、北大、本校等攻读研究生或出国继续深造。其余学生考研或参加工作，就业情况良好。
统计学专业
南开大学统计学专业的前身是数理统计专业，该专业创建于1981年，是国家统计局资助在高校最早设置数理统计专业的两所学校之一，分别于1983年、1984年和1990年开始招收本科生、硕士研究生和博士研究生。
科学研究、社会经济、计算机网络和日常生活中的各个领域都拥有大量的数据和信息，并以前所未有的规模和速度不断增加，统计数据分析已成为各个行业和科学研究中必不可少的工具，以及政府制定相关政策、企业进行有效的生产经营活动的重要依据。因此，社会对统计学的需求将随着时间的推移越来越大，社会对统计学人才的需求日渐增长。统计学人才的主要社会需求在各个自然科学研究、人文社会科学研究、政府机构、金融经济领域、基金、保险等各种金融机构，生物医药和医学研究中心、医药公司、疾病控制中心、医院、工程技术（包括各种厂矿）和其它研究和应用机构（包括教育心理）等。只要有数据出现的地方、需要数量化管理的地方都需要掌握统计学知识的复合型人才。随着计算机技术和网络的发展，以及我国经济市场化程度的不断深化，各个政府机构、企业、科研和教育部门对统计人才的需求也将急速增加。
统计学专业学生的培养目标是，要求他们具有扎实的数学基础，牢固地掌握统计学基本理论和方法，能熟练地应用计算机，并具有经济学基础知识，使他们既具有一定的关于统计学理论的研究素质，又具有正确运用统计方法和统计软件分析数据和解决实际统计应用问题的能力，成为从事统计学理论和实际工作的专门人才。通过课堂教学与训练，打好坚实的数学和统计学理论基础，掌握各种基本的统计学方法。在学好数学、统计学基础与专业课的同时，特别加强计算机课程的教学与指导，给予学生大量的上机操作训练，熟练编程、使用工具软件、统计软件及管理软件等。通过经济、市场、管理、保险等方面的专题教学以及课题实习，培养学生理论联系实际的能力，增长学生各方面的才干，发挥他们的创造力。
统计学专业学生毕业后可在政府、企业、事业单位和经济、管理等部门从事统计调查、统计信息分析、数量分析等开发、应用和管理工作，在自然科学、人文社会科学、工程技术等领域从事统计应用研究和数据分析工作，在中等和高等教育部门从事统计学教学工作，以及在统计学和其它学科如经济类进一步读研究生深造，包括出国深造。近些年，统计学专业本科毕业生赴欧美，特别是北美著名高校出国深造的比例一直保持较高的水平。