دوره دکتری مهندسی خودرو بالاترین مقطع تحصیلی دانشگاهی در این زمینه است که به اعطای مدرک دکتری می انجامد و رسالت آن تربیت افرادی است که با نوآوری در زمینه های مختلف علوم و فناوری در زمینه خودرو در گسترش مرزهای دانش و رفع نیازهای کشور مؤثر باشد. محور اصلی فعالیت های علمی دوره دکتری به تناسب موضوع، تحقیق نظری، تحقیق تجربی و یا تلفیقی از این دو است و آموزش وسیله برطرف ساختن کاستی های اطلاعاتی داوطلب و هموار ساختن راه حصول به اهداف تحقیق می باشد. 24 واحد برای تدوین رساله (پروژه دکتری) در مرحله پژوهشی و 24 واحد دروس اصلی الزامی و اختیاری در مرحله آموزشی برای دوره دکترای مهندسی خودرو در نظر گرفته شده است. از گرایش های مقطع دکترای مهندسی خودرو می توان گرایش های : طراحی سیستم های دینامیکی خودرو (زیرمجموعه مهندسی مکانیک، قوای محرکه خودرو (زیرمجموعه مهندسی مکانیک)، سازه و بدنه خودرو (زیرمجموعه مهندسی مکانیک) را برشمرد.