1898年，北京大学的前身京师大学堂建校，1913年，北大设物理门，开创我国最早的物理学本科教育。经饶毓泰、吴大猷、丁西林、朱物华等人的努力，抗战前北大物理系已成为中国物理学研究的一支重要力量。抗战时期，北大、清华、南开三校在昆明成立西南联合大学。西南联大物理系培养了李政道、杨振宁、朱光亚，邓稼先等一大批杰出科学家。
1952年院系调整，原北大、清华、燕大三校物理精英合并成新的北京大学物理系，聚集了饶毓泰、周培源、叶企孙、王竹溪、胡宁、黄昆、褚圣麟、虞福春、杨立铭、李宪之、谢义炳等一大批中国物理界的领军人物，使北大物理系成为中国高校中实力最强的物理重镇。解放后的50年，北大物理学科为国家培养了大批优秀人才，其中包括百余名在北大物理学科工作学习过的中国科学院院士，十余名中国工程院院士。11名两弹元勋中，北大物理学院校友就有8名。
北大物理在学科建设中也屡开全国高校之先河。1955年，从全国各地调入教师学生建立了我国高校第一个核科学专业——物理教研室，后更名为原子能系，即技术物理系前身，为我国成功研制两弹培养了大批骨干人才。1956年，国家集中了北大、复旦、南京大学、厦门大学、吉林大学五校师生在北大创办了我国第一个半导体物理专业，为我国信息科学技术的发展奠定了人才基础。1956年，在中国科学院地球物理所的大力协助下建立了我国第一个地球物理专业。 1959年，从北大物理系分出了地球物理系和无线电系。70年代，北大物理系半导体物理专业分出一部分人员与其他系教师共同新建了我国第一个计算机系微电子专业。
2001年5月，作为北大创建世界一流大学的一个重要举措，在原物理系、技术物理系核物理专业、重离子物理研究所、地球物理系的大气物理与气象专业、天文系的基础上，成立了北京大学物理学院，学院以教学机构和博士点为基础设置了10个教学科研实体单位：普通物理教学中心、基础物理实验教学中心、大气科学系、天文学系、技术物理系、理论物理研究所、凝聚态物理与材料研究所、现代光学研究所、重离子物理研究所及电子显微镜专业实验室。物理学院师资力量雄厚。有教职工约281人，其中教师有中科院院士14(其中外聘8名)名、长江特聘教授7名，教授76名，副教授69名。学院每年招收本科生约200 人，硕士生约100人，博士生约80人，博士后约20人。学院有人工微结构与介观物理国家重点实验室、核物理与核技术国家重点实验室(筹)等科研机构;有一级学科博士受权专业2个，二级学科博士受权专业8个，博士后流动站4个;有国家重点学科8个，国家理科基础研究和教学人才培养基地3个。