מחלקות מסוימות להנדסה ביו-רפואית מציעות התמחות במגמות שונות במטרה להכשיר מהנדסים וחוקרים מומחים. להלן כמה מן המגמות הבולטות להתמחות בארץ: נוירוביולוגיה – במגמה זו הלימודים עוסקים בחקר מערכת העצבים של המח תחת מצבים שונים (בריאות, חולי, פגיעה). במגמה ניתן ללמוד על התפתחות המח והעצבים, על תהליכים תאיים ומולקולריים במוח, על בעיות בתפקוד המוח כתוצאה מליקויים ופגיעות שונות ועוד.

ביו-אלקטרוניקה – תחום זה עוסק ביצירת התקנים פונקציונליים משולבים שבהם חומר ביולוגי ויחידה אלקטרונית. כלומר, יצירת קשרים בין סיבי עצב לחומרים מוליכים למחצה, באופן שיאפשר הפעלה רצונית של מכשירים אלקטרונים המחוברים לאיברים ישירות בסיבי העצב, למשל אצל נכים. מיקרוביולוגיה – תחום החוקר יצורים מיקרוסקופיים חד-תאיים כמו חיידקים ופטריות במטרה למצוא דרכים להתגוננות מפני חיידקים פתוגנים גורמי מחלות ולהשתמש באותם יצורים לצרכים ביוטכנולוגיים לתועלת האדם. ביו-חומרים – תחום החוקר חומרים המשמשים להחלפת חלקים של מערכות ביולוגיות או לפעולה במגע קרוב עם רקמות חיות. ביו-חומרים מיושמים בהחלפת חלקי גוף לא מתפקדים, בייצור חוטי תפירה או חלקים לאיחוי עצמות, בייצור דבקים רפואיים לרקמות, בתיקון בעיות קוסמטיות ועוד. המגמה מכשירה מהנדסים לפתח התקנים המשולבים בביו-חומרים או מבוססים עליהם.

הלימודים עוסקים בנושאים ותחומים רבים ומגוונים, ביניהם: ביומכניקה ואורטופדיה, ביומכניקה מולקולרית ותאית, מכניקה ומבנה של תאים, רקמות ואברים, דינמיקה של שלד ושרירים, חקר תנועה והליכה, משוב תחושתי, הנדסה שיקומית, גפיים מלאכותיות ומפרקים מלאכותיים, רקמות חיבור ורקמות תופחות, מבנה ותפקוד רקמות סחוסיות נורמליות ובמצבי הזדקנות, מחלות פרקים וגב, פוליאלקטרוליטים ומעבר של נוזלים ומומסים מטבוליטים, אותות ומערכות ביולוגיים, הדמיה רפואית, עיבוד תמונות רפואיות, אלקטרופיסיולוגיה, ביו-חומרים וביוטכנולוגיה, הנדסה ביוכימית ועוד.

הנדסה ביו-רפואית נחשבת למקצוע בהתפתחות ובגידול מואץ, המאפשר קידום לעמדות בכירות ואפשרויות לשכר גבוה. אפשרויות התעסוקה נמצאות, לרוב, בתחומים כגון: תאים, שיקום רקמות, גנטיקה, ביו-חומרים ומערכות פיזיולוגיות. מהנדסים ביו-רפואיים מועסקים על ידי חברות רפואה וחברות מכשור רפואי כמנהלי מוצר, מנהלי פרויקטים, מפתחים וכמפתחי אלגוריתמיים לעיבוד אותות. מהנדסים ביו-רפואיים המתמחים בפיתוח אלגוריתמיים ובאלקטרוניקה יכולים לעבוד גם במשרות שמחוץ לשדה הרפואי בחברות מחשבים ובגופי בטחון.