ภาควิชาฟิสิกส์ ได้เปิดหลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิต สาขาฟิสิกส์ แนวใหม่เป็นแห่งแรกของประเทศไทย ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2519 เพื่อผลิตบัณฑิตในระดับปริญญาตรี ที่มีทักษะการปฏิบัติในเชิงวิศวกรรมและสามารถทำงานแก้ปัญหาโจทย์ด้วยหลักวิทยาศาสตร์ ในภาคอุตสาหกรรมได้ ซึ่งในช่วงแรกภาควิชาสังกัดคณะครุศาสตร์อุตสาหกรรม และวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

ต่อมางานการบริหารจัดการศึกษาได้ขยายตัวมากขึ้น คณะวิทยาศาสตร์ จึงได้แยกส่วนการบริหารในปี พ.ศ. 2533 ในปี พ.ศ. 2534 ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี มีความพร้อมในการเปิดหลักสูตรวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต เพื่อเสริมฐานรากงานวิจัยของภาควิชาให้เข้มแข็ง อีกทั้งภาควิชาฟิสิกส์ได้เล็งเห็นถึงความสำคัญในการพัฒนาการเรียนการสอนที่ควบคู่กับการปฏิบัติ จึงได้ดำเนินปรับปรุงห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พื้นฐาน ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ยุคใหม่ ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ และห้องปฏิบัติการเครื่องมือวัด เพื่อรองรับนักศึกษาที่มากขึ้นและการเรียนการสอนในเชิงปฏิบัติที่มีประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ประกอบกับคณาจารย์ภาควิชา มีความสัมพันธที่ความใกล้ชิดกับภาคอุตสาหกรรมที่มีมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง ภาควิชาจึงได้ปรับปรุงหลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิต สาขาฟิสิกส์ ในปีการศึกษา 2544 ให้สนองต่อความต้องการของภาคอุตสาหกรรมยิ่งขึ้น โดยบรรจุโครงการเรียนรู้ร่วมอุตสาหกรรมในหลักสูตร ซึ่งเป็นหลักสูตรวิทยาศาสตร์บัณฑิตแห่งแรกของประเทศไทย ที่เปิดทางเลือกให้นักศึกษา ได้มีโอกาสฝึกงานในภาคอุตสาหกรรมไม่น้อยกว่า 4 เดือนโดยใช้โจทย์ปัญหาจริงจากภาคอุตสาหกรรมมาเป็นหัวข้อโครงงาน เพื่อประโยชน์ใช้งานได้จริงกับภาคอุตสาหกรรม

นอกจากนี้ ภาควิชาฟิสิกส์ยังส่งเสริมการเรียนรู้ทางด้านวิทยศาสตร์และเทคโนโลยีให้กับครูและนักเรียนอย่างสม่ำเสมอ จึงพบว่ามีครูฟิสิกส์จำนวนมากที่ประสงค์จะศึกษาต่อในระดับปริญญาโท ดังนั้นในปี พ.ศ. 2547 ภาควิชาฟิสิกส์ จึงได้เปิดหลักสูตรวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาฟิสิกส์ศึกษา ที่เรียนนอกเวลาราชการ เพื่อให้ครูสามารถมาศึกษาเพิ่มพูนความรู้ได้ พร้อมทั้ง ได้เปิดหลักสูตรวิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต สาขาฟิสิกส์ เนื่องจากการขาดแคลนอาจารย์และนักวิจัยสาขาฟิสิกส์เป็นจำนวนมาก จากการผลิตบัณฑิตในระดับปริญญาตรี ที่สามารถทำงาน แก้ปัญหาโจทย์ในภาคอุตสาหกรรมได้เป็นอย่างดี ประกอบกับศิษย์เก่าเสนอให้ภาควิชาเปลี่ยนชื่อ หลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิต สาขาฟิสิกส์ ในปีการศึกษา 2550 ภาควิชาจึงได้ปรับปรุงหลักสูตรใหม่ โดยบรรจุรายวิชาทางด้านวัสดุและนาโนเทคโนโลยี ในทุกระดับการศึกษาและเปลี่ยนชื่อหลักสูตรในระดับปริญญาตรีเป็นหลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิต สาขาฟิสิกส์ประยุกต์ เพื่อส่งเสริมให้นักศึกษาที่สนใจในอาชีพนักวิชาการวิจัย ได้มีความรู้และประสบการณ์การทำวิจัยที่มากขึ้น

ภาควิชาฟิสิกส์ มีวัตถุประสงค์หลักในการดำเนินการเรียนการสอน โดยมุ่งเน้นในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และงานวิจัย ที่สอดรับกับภาคอุตสาหกรรม เพื่อให้บัณฑิตเป็นทั้งผู้มีความรู้ ความสามารถ ทั้งทางทฤษฎีควบคู่กับการปฏิบัติ ที่มีประสบการณ์ในเชิงวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ทั้งจากห้องปฏิบัติการ และการฝึกงานในโรงงานอุตสาหกรรม เกิดการเรียนรู้อย่างต่อเนื่อง ใช้ชีวิตอย่างมีคุณธรรม จริยธรรม ระเบียบวินัย ความสำนึกในหน้าที่และมีความรับผิดชอบ นอกจากนั้นภาควิชายังให้บริการในการจัดการสอนในวิชาพื้นฐานทั้งวิชาในภาคทฤษฎีและภาคปฏิบัติการ ให้แก่หลักสูตรต่างๆ ในระดับปริญญาตรีของมหาวิทยาลัย ให้บริการงานวิจัย การเผยแพร่ผลงานทางวิชาการ ทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และบริการวิชาการแก่สังคม

ปัจจุบัน ภาควิชาฟิสิกส์ ได้มีการพัฒนาหลักสูตรให้ตอบสนองต่อความต้องการของประเทศ เท่าทันสถานการณ์และการเปลี่ยนแปลงของสังคม มุ่งผลิตบุคลากรที่มีความรู้ ทักษะ ความสามารถ ประกอบด้วย 3 หลักสูตร คือ ฟิสิกส์อุตสาหกรรม ฟิสิกส์วัสดุและเครื่องมือทางการแพทย์ และ ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและการวิเคราะห์ข้อมูล ที่มีความพร้อมจะปฏิบัติงานได้ทันที มีความรู้เชิงลึก มีทักษะ สมรรถนะและศักยภาพสูง มีความสามารถในการเรียนรู้และการพัฒนาตนเองให้เข้ากับลักษณะงานทั้งด้านวิชาการและวิชาชีพ รวมถึงเข้าใจในผลกระทบของวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีต่อสังคม ปฏิบัติตนอย่างมีคุณธรรม จริยธรรม ยืนหยัดในความถูกต้องและจรรยาบรรณทางวิชาการและวิชาชีพ