Fysiikan professori Gustaf Hällström (1775 – 1844) aloitti pitkän virkauransa (1801 – 1844) jo Ruotsin vallan aikana. Hän koki Turun ajan viimeiset vuodet ja Aleksanterin-yliopiston ensimmäiset vuodet Helsingissä. Hän oli näkyvä ja arvostettu vaikuttaja niin fysiikassa kuin yliopiston hallinnossakin. Hällström oli viimeinen fysiikan professori, jolla oli palkkapitäjä ja joka oli tuomiokapitulin jäsen. Hällström on tunnettu aineiden lämpölaajenemisen, erityisesti veden, tutkimuksistaan. Lisäksi hän tutki akustiikkaa, meteorologiaa ja tähtitiedettä. Gustav Hällström vakiinnutti tähtitieteen aseman itsenäisenä oppiaineena. Vuonna 1817 käynnistyi observatorion rakentaminen Turussa ja samana vuonna perustettiin tähtitieteen observaattorin virka, josta kehittyi ensimmäinen tähtitieteen professuuri.
Hällström oli valmistelemassa yliopiston statuuttien uudistusta, joka toteutui vuonna 1828, kun yliopisto muutti Helsinkiin. Hän osallistui myös muuton suunnitteluun. Helsingin ajan ensimmäisinä vuosina Hällström oli rehtorina vuodet 1829 – 1832. Fysiikka sai tilat uudessa päärakennuksessa, johon Hällström perusti fysiikan laboratorion.
Fysiikan laitos perustettiin vuonna 1832 Helsingin yliopiston päärakennuksen valmistuttua. 1840-luvun alussa fysiikan laitos siirtyi suurempiin tiloihin yliopiston kirjastokorttelin uudisrakennukseen. Yliopiston muutettua Helsinkiin rakennettiin uusi observatorio nykyiselle Tähtitorninmäelle. Yliopisto otti observatorion vastaan 1834.
Erityisesti fysiikan laitokselle suunniteltu rakennus pystytettiin Helsingin keskustaan Siltavuorenpenkereelle, jossa se vihittiin käyttöön vuonna 1911. Uudisrakennuksen lisäksi fysiikkaa oli vahvistettu toisella oppituolilla eli sovelletun fysiikan professuurilla vuonna 1895. Vuonna 1937 annettuun kielilakiin ja kieliasetukseen liittyen, joiden mukaan Helsingin yliopiston virkakieleksi ja opetuskieleksi tuli suomen kieli, fysiikka sai ruotsinkielisen oppituolin.Opiskelijamäärän kasvu 1940-luvun lopulta lähtien johti uusien professuurien perustamiseen.
Vuosina 1958 – 1977 fysiikka sai neljä uutta professuuria entisten kolmen lisäksi. Meteorologia sai henkilökohtaisen ylimääräisen professorin vuonna 1921 fysiikan yhteyteen. Meteorologian professorin ensimmäinen virka perustettiin vuonna 1957. Vuosina 1957 - 2001 meteorologian laitos sijaitsi keskustassa Porthanian rakennuksessa. Geofysiikan professorin virka perustettiin vuonna 1966, ja vuosina 1967 - 2001 geofysiikalla oli oma laitoksensa. Vuonna 1952 yliopistoon perustettiin radioastronominen asema fysiikan laitoksen tiloihin. 1970-luvun alussa astrofysiikan laboratorioksi muuttunut radioastronominen asema ja observatorio yhdistyivät yhdeksi laitoskokonaisuudeksi. Ydinfysiikan vuonna 1958 perustettu virka muutettiin alkeishiukkasfysiikan professuuriksi vuonna 1978. Teoreettisen fysiikan professorin virka perustettiin vuonna 1964. Ydinfysiikan, vuodesta 1978 lähtien suurenergiafysiikan laitos toimi vuosina 1960 – 1995 fysiikan laitosrakennuksessa ja sen yhteyteen vuonna 1969 valmistuneessa teoreettisen fysiikan laitoksen rakennuksessa. Teoreettisella fysiikalla oli oma laitos vuosina 1969 – 1995.
Fysiikan laitoksen vuonna 1956 toimintansa aloittaneen kiihdyttimen tarvitsemat uudet tilat valmistuivat Siltavuorenpenkereelle vuonna 1959. Laitoksen uutta kiihdytintä varten rakennetut tilat valmistuivat Kumpulaan vuonna 1982, jolloin vihittiin käyttöön fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratorio. Tämä oli yliopiston kampusten rakentamiseen liittyvä ensimmäinen rakennus Kumpulassa.
Toimittuaan Siltavuorenpenkereen tiloissa tasan 90 vuotta fysiikan laitos muutti vuonna 2001 Kumpulan kampukselle uuteen rakennukseensa, Physicumiin. Muuton yhteydessä meteorologian ja geofysiikan laitokset muuttivat Physicumiin ja liittyivät yhteen fysiikan laitoksen kanssa. Syntyi fysikaalisten tieteiden laitos. Laitoksen nimeksi muutettiin vuoden 2008 alussa fysiikan laitos. Vuoden 1998 jälkeen nykyisen fysiikan laitoksen tutkimusalat ovat laajentuneet voimakkaasti, mikä näkyy professuurien alojen ja professorien lukumäärän lisääntymisenä lähes kaksinkertaiseksi. Tähtitieteen laitos liitettiin fysiikan laitokseen vuoden 2010 alussa, jolloin tähtitieteen opetus ja tutkimus siirtyivät kokonaisuudessaan Kumpulan kampukselle.
Vuoden 2018 alusta fysiikan laitos jakaantui fysiikan osastoon ja ilmakehätutkimuksen keskus INAR:iin.