Zavod za teorijsku fiziku ima bogatu povijest svojeg razvoja i djelovanja u istraživačkom i nastavnom radu. Visokoškolska nastava iz fizike u Zagrebu započinje još u 17. stoljeću (povijest Fizičkog odsjeka). Na Isusovačkoj visokoj školi u Zagrebu, 1662. godine otvoren je filozofski tečaj na kojem je 1664. godine Stjepan Glavač (1627-1680) predavao fiziku. Nastava iz fizike održavala se u istom opsegu i nakon što je 1669. godine isusovačka Zagrebačka akademija stekla sva prava i povlastice sveučilišta, čime su uspostavljeni temelji teorijske nastave. Godine 1757. crkva skida zabranu naučavanja o gibanju zemlje i dolazi do prekretnice u teorijskim predavanjima. U doktorskim disertacijama se počinje isticati valjanost Kopernikovog sustava, raspravlja se o Newtonovoj i Boškovićevoj filozofiji prirode, odnosno teorijama sila i građe tvari.
Nakon ukinuća Isusovačkog reda 1773. godine, prvi profesor fizike u Zagrebačkoj akademiji bio je do 1797. godine Antun Kukec, bivši isusovac. Godine 1876. započinje organizirani znanstveni i nastavni rad iz prirodoslovlja i matematike. Na obnovljenom Sveučilištu u Zagrebu posebna je katedra za teorijsku fiziku uspostavljena 1918. godine. Prvi profesor teorijske fizike postao je Ladislav Stjepanek. Uredbom Povjerenstva za prosvjetu i vjeru od 18. veljače 1920. osnovan je na Filozofskom fakultetu Seminar za teorijsku fiziku, koji je vodio dr. Ladislav Stjepanek i na kojem je od osnutka djelovao i dr. Vladimir Vrkljan (1894.-1974.).
Pri osnivanju Prirodoslovno-matematičkog fakulteta (1946.) zasebno je formiran Institut za teorijsku fiziku čije vođenje preuzima dr. Ivan Supek. U Institutu za teorijsku fiziku, koji 1959. postaje Zavod za teorijsku fiziku, otvaraju se nova nastavna i znanstvena područja s posebnim naglaskom na kvantnoj teoriji. Područja istraživanja zavoda su značajno proširena, što rezultira originalnim znanstvenim doprinosima u klasičnoj fizici, atomskoj fizici, fizici čvrstog stanja, nuklearnoj fizici, fizici elementarnih čestica i biofizici.
Djelatnici Zavoda za teorijsku fiziku uspostavili su suvremeno računalno središte koje prati razvoj novih tehnologija i osigurava resurse za teorijska istraživanja koja uključuju metode naprednog računarstva. Osim toga, pripadnici Zavoda odigrali su važnu ulogu pri osnivanju Središnje knjižnice za fiziku, koja danas radi u sastavu Fizičkog odsjeka. Članovi zavoda su izradili niz srednjoškolskih i visokoškolskih udžbenika. Uspješni nastavni rad Zavoda ogleda se u relativno velikom broju diplomiranih i magistriranih studenata i izrađenih doktorata, a brojni bivši studenti postigli su uspješne znanstvene karijere na znanstvenim institucijama i sveučilištima u Hrvatskoj i inozemstvu. Od 2013. godine, Zavod za teorijsku fiziku djeluje kao jedan od tri teorijska zavoda na Fizičkom odsjeku Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu. Područja istraživanja Zavoda za teorijsku fiziku uključuju atomsku i nuklearnu fiziku, nelinearnu optiku i fotoniku, fiziku kondenzirane materije i biofiziku.
Djelatnici Zavoda za teorijsku fiziku redovito objavljuju znanstvene radove u vodećim međunarodnim znanstvenim časopisima, uključujujući i časopise s najvećim faktorom odjeka, Nature, Cell, Physical Review Letters, Physical Review A,B,C,E, itd. Velik broj objavljenih radova postigao je svojom kvalitetom i originalnošću značajan odjek u međunarodnoj znanstvenoj zajednici i stekao respektabilnu citiranost (od 2012. nadalje više od ukupno ~800 citata godišnje - ISI Web of Knowledge). Članovi zavoda redovito sudjeluju kao pozvani predavači i aktivni sudionici na uglednim međunarodnim znanstvenim skupovima i nositelji su niza kompetitivnih znanstveno-istraživačkih projekata i ugovora o međunarodnoj znanstvenoj suradnji.