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在基础研究领域，日本2004年成就卓著，获得多项重大发现。
1月7日，日本信州大学、大阪大学和筑波物质材料研究所联合研究小组宣布，开发出一种由掺有二氧化钛粒子的环氧树脂制成的、充满空洞的立方体，该立方体能够神奇地把电磁波储存起来。专家认为，这一技术不仅将能够用来储存电磁波，并将其转变成电能，还可用来制造能够储蓄光的“光池”。研究小组下一步将致力研究白天可储存光能，夜间再释放使用的“光池”，以及用空中电磁波作电源的手机等实用技术。
从1987年观测到来自超新星的中微子至今，中微子研究已发展为基本粒子物理学及宇宙物理学的基础科学。2004年6月11日，由十国科学家组成的研究小组通过实验证实，基本粒子中微子具有质量的概率为99.99%。日本高能加速器研究机构和东京大学宇宙射线研究所参与了此项实验。1998年，日本科学家曾推断中微子具有质量，这次实验则是对该推断正确性的验证，对揭开宇宙物质和反物质之谜有重要意义。
不过，尽管已经证实中微子具有质量的概率为99.99%以上，但科学家并不了解中微子振荡的详细情况。不过他们很快就再接再厉，取得了辉煌战果。7月5日，时隔不足1个月，多国科学家成功观测到中微子振荡现象，联手验证了基本粒子理论。由日本17家研究机构、其他国家19家研究机构共138名科学家组成的国际联合研究小组利用东京大学宇宙射线研究所的超级监测器SK，直接观测到中微子具有质量的证据———“中微子振荡现象”，验证了中微子理论。
日本理化学研究所8月24日也宣布了一项惊人成果：他们利用高能加速器把K介子的基本粒子打入含有2个质子和2个中子的氦原子核中，结果发现一个质子飞出，K介子紧密连接另一个质子和2个中子，原子核呈现高于通常原子核10倍的密度。这一新物理现象的发现打破了物理学中“原子核密度不变”的传统定律，对从密度变化角度揭开质量起源具有重要意义。
2004年，日本在天文学领域也取得了不俗战果：9月，日本名古屋大学利用设置在南美智利的“南天”射电望远镜，发现距太阳系16万光年的大麦哲伦银河系中存在巨大的无星分子云。这是人类首次发现还没有生成新星球的分子云。分子云被认为是未形成星球时的初期状态，人类所在银河系中的星球都是从分子云中诞生的。宇宙初期即诞生了很多球状星团，但目前为止科学家仍不知道它们是如何诞生的。由于大麦哲伦星云与宇宙诞生初期的状态相似，这一发现将对球状星团以及宇宙成长史的研究具有实际意义。
9月21日，日本东北大学利用日本国力天文台设置在夏威夷的“昴”天文望远镜，发现大银河系正在吞噬附近较小银河系的证据，由于大银河系的重力吸引作用，被“撕碎”的较小银河系散布在长度为50光年的条状区域，这是继去年美国哈勃望远镜首次观测到同样现象后的又一次发现。
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