La principale vocation du département de mathématiques de l'ENS Cachan est de fournir une préparation d'excellence pour les carrières  de la recherche et de l'enseignement en mathématiques et ses interfaces.

Pour cela, les élèves normaliens et les normaliens étudiants (anciennement auditeurs libres) de la Formation en Mathématiques de l'ENS de Cachan sont mis au contact dès leur arrivée en première année avec des chercheurs et des enseignants chercheurs que ce soit dans les cours dispensés ou durant le premier stage d'initiation à la recherche en mathématiques qui a lieu sur place au CMLA à temps partiel dès le début du second semestre. Cette immersion s'intensifie l'année suivante avec un stage de 4 mois dans un laboratoire de recherche (public ou privé) en France ou à l'étranger qui permet aux élèves et étudiants en deuxième année de découvrir de l'intérieur l'activité de recherche. La formation peut éventuellement comprendre une année complète d'étude consacrée à un travail dans un laboratoire de recherche académique à l'étranger (Année ARPE).

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 l'Université Paris-Diderot en première année de scolarité, avec l'Ecole Polytechnique et l'Université Paris-Sud en deuxième année 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.

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.

Le département regroupe environ 160 étudiants (dont 50 étudiants en master recherche 2ème année) et une cinquantaine d'enseignants (dont 12 permanents).

Chaque année, le département recrute sur concours environ 17 normaliens en 1ère année et 12 normaliens en 3ème année (second concours). Il recrute également sur dossier quelques étudiants non normaliens (anciennement auditeurs libres) dans la formation en mathématiques de l'ENS de Cachan (ex formation commune à Cachan/P7, ex magistère) essentiellement en 1ere année en L3, mais aussi en 2ème année en M1 voie Hadamard.  La préparation à l'agrégation accueille également des étudiants non normaliens de Cachan que l'on appelle communément auditeurs libres. Il délivre environ 70 diplômes de master et compte une trentaine d'agrégés issus de sa préparation.

Le département de mathématiques de l'ENS Cachan offre, en collaboration avec ses partenaires universitaires, une formation en mathématiques de très haut niveau scientifique. Cette formation se décline essentiellement sous deux parcours avec différentes portes d'entrée :

• d'une part la Formation en Mathématiques de l'ENS de Cachan incluant le L3 de Mathématiques en partenariat avec l'Université Paris Diderot (P7), puis la Voie Hadamard du master de l'Université Paris-Saclay en partenariat avec l'Ecole Polytechnique et l'Université Paris-Sud. Cette formation est prolongée par une 2ème année de master Recherche et/ou Formation à l'Enseignement Supérieur en Mathématiques (préparation à l'agrégation). Ces 3 ou 4 années conduisent au diplôme de l'ENS de Cachan.
• d'autre part des formations spécialisées en mathématiques appliquées dans le cadre de la 2ème année du master Mathématiques et applications de l'Université Paris-Saclay.