La scolarité est conçue comme une découverte des mathématiques dans les enjeux scientifiques contemporains à partir d'une formation solide et approfondie à la recherche par la recherche.
Le partenariat avec la faculté des sciences d'Orsay en première année de scolarité (L3), avec l'Ecole Polytechnique et la faculté des sciences d'Orsay en deuxième année (M1 Hadamard site ENS) permet de proposer des cours dans l'ensemble des domaines des mathématiques. Les élèves du département sont d'ailleurs incités pendant leurs années d'Ecole à découvrir et à parcourir un large spectre des mathématiques des plus appliquées aux plus fondamentales.
La taille humaine du département permet un suivi précis individuel des élèves et les cursus sont élaborés en discussion avec les enseignants chercheurs du département.
En troisième et quatrième année, les normaliens élèves ou étudiants suivent une 2eme année de master pas nécessairement à l'ENS ou à l'Université Paris-Saclay et une année spécifique.
L'année spécifique est à la carte : elle peut être une année aux interfaces, une année de diplôme spécifique de l'Ecole (ARIA, ARRC, ARTeQ, AReCO,...), une année complète d'étude consacrée à un travail dans un laboratoire de recherche académique à l'étranger (Année ARPE) ou bien encore une année de préparation au concours de l'agrégation de mathématiques.
La très grande majorité des normaliens du département poursuivent leur scolarité par une thèse pour s'orienter dans la recherche académique ou en entreprise en France ou à l'étranger (voir la page consacrée au devenir des anciens élèves du département de mathématiques à la sortie de l'Ecole)
L'existence d'une préparation très ambitieuse à l'agrégation de mathématiques dans le cadre du master de Formation à l'Enseignement Supérieur ouvre également les débouchés de l'enseignement en classes préparatoires. La préparation à l'agrégation est cependant ouverte à tous. Le recrutement se fait sur dossier.
En effet, chaque année, le département recrute sur concours environ 18 normaliens élèves en 1ère année et 7 normaliens élèves en 2ème année (second concours). Il recrute également sur dossier quelques normaliens étudiants (inscrits au diplôme de l'Ecole) dans la formation en mathématiques de l'ENS Paris-Saclay en 1ere année et en 2eme année.
Par ailleurs, près de 200 étudiants recrutés sur dossier sont inscrits au Master Mathématiques Vision Apprentissage (M2 MVA) en master recherche 2ème année.