Le TMT est conçu pour étudier l'Univers à la fois par la lumière visible et infrarouge. Suite au succès des grands télescopes à miroir segmenté existants, le miroir principal du TMT sera composé de 492 segments de verre hexagonaux mesurant chacun environ 1,44 mètre de diamètre, ce qui donne une ouverture totale de 30 m. Afin de faire bon usage de ce miroir massif et d'effectuer une photométrie et une spectroscopie à haute résolution, le TMT s'appuiera sur une technologie d'optique adaptative (AO) de pointe développée au Conseil national de recherches (CNRC) au Canada.
Avec son impressionnant potentiel d'amplification de la lumière, ses capacités haute résolution et sa suite prévue d'instruments de pointe, le TMT permettra d'étudier les confins de l'Univers, en étudiant l'évolution des galaxies, des étoiles et des trous noirs d'aujourd'hui à les «âges sombres», lorsque les premières sources de lumière se sont formées. Le TMT est également conçu pour caractériser les exoplanètes, et peut conduire aux premières détections de biosignatures au-delà de la Terre.
Une installation astronomique de la taille et du calibre du TMT est conçue pour répondre à de nombreuses questions fondamentales dans un large éventail de domaines astrophysiques, notamment:
Physique fondamentale et cosmologie
Univers primitif, formation de galaxie et milieu intergalactique
Trous noirs supermassifs
Voie lactée et galaxies à proximité
Étoiles, physique stellaire et milieu interstellaire
Formation d'étoiles et de planètes
Les exoplanètes et la recherche de la vie
Notre système solaire
Science du domaine temporel
