理论物理研究室的前身是中国科学院近代物理所(1950-1956)和原子能所(中关村一部1956-1973)的理论物理研究室。先后由著名理论物理学家彭桓武(1950-1958)、朱洪元任室主任,于敏、邓稼先、黄祖恰、胡宁、何祚庥等一批优秀的科学家曾在此工作。1973年高能物理所建立,这个研究室转入了高能物理所,组建成现在的理论物理室。
2007年9月,中国科学院大科学装置理论物理研究中心正式成立,理论物理研究室将为我国的各种大科学装置的物理理论和实验方法研究做出新的贡献。