Сектор теоретической кибернетики математического отдела проводит как фундаментальные исследования в области математической кибернетики (theoretical computer science), так и работы, имеющие приложения в других научных дисциплинах. Традиционно тематика фундаментальных исследований сектора включает в себя вопросы синтеза, сложности, надежности и контроля управляющих систем. За последние годы в этом направлении получен ряд значимых результатов о сложности тестирования схем из функциональных элементов. Так, в частности, получена нижняя оценка длины полного проверяющего теста в базисе из «штриха Шеффера»; получена линейная оценка для длины теста контактной схемы, реализующей булеву функцию от n переменных, относительно замыканий контактов; также получен ряд точных значений длин тестов для схем из функциональных элементов.

К вопросам синтеза управляющих систем также можно отнести проводящиеся в секторе исследования дискретных преобразователей случайных величин. В этом направлении в последнее время получен ряд интересных результатов о выразимости и аппроксимируемости случайных величин над конечными полями, конечными кольцами, и близкими к ним системами, а также описаны аппроксимационные алгебры бернуллиевских распределений, индуцируемые замкнутыми классами булевых функций. К прикладным исследованиям, проводимым в секторе, относятся, в частности, работы по расширениям классических логик: одно из таких расширений, логика ветвящегося времени, используется для решения задач интеллектуализации мобильных роботов. Другим прикладным направлением работ является применение математических методов и информационных технологий в географических и демографических исследованиях. В рамках этого направления в 2016–17 гг. при поддержке Русского географического общества в секторе реализован проект создания интерактивного веб-атласа «Виртуальное население России», результаты которого размещены по адресу: http://webcensus.ru.