Oснована је 1948. године као једна од прве две лабораторије у Институту Винча.
Лабораторија за физичку хемију, једна од две најстарије лабораторије у Институту Винча, основана је децембра 1948. године. Оснивач Института, чувени српски физикохемичар, академик Павле Савић, био је такође оснивач и дугогодишњи руководилац (1948-1960) Физичко-хемијске лабораторије, како је гласио њен први назив. У првим годинама постојања Института, многи, касније, знаменити српски истраживачи започели су свој научни рад у оквиру ове Лабораторије. Поред професора Павла Савића, још два истакнута професора и чланова САНУ, др Слободан Рибникар и др Миленко Шушић, били су у једном периоду своје каријере сарадници Лабораторије за физичку хемију. У зависности од организационих промена у Институту, мењао се назив Лабораторије. Од 1991. године, Лабораторија за физичку хемију носи данашњи назив.
Од самих почетака до данас, сарадници Лабораторије су развијали богату научну сарадњу са најпознатијим стручњацима и научним институцијама у земљи и иностранству а путеви развоја физичке хемије у Лабораторији следили су развој савремене физичке хемије у свету. Првобитне активности у Лабораторији биле су усмерене на разрађивање метода анализе домаћих минерала на уранијум, торијум и ретке земље, као и на израду неутронских извора за фундаментална истраживања у Институту. Од средине шездесетих, најважније области истраживања у Лабораторији биле су хемија изотопа, спектрохемија, масена спектрометрија и хемија комплексних једињења а затим се истраживања шире и на области електрохемије и ласерске хемије.
Почетком новог века, Лабораторија проширује свој спектар истраживачких делатности и попут целог Института поприма, изразито мултидисциплинарни карактер. Данас, више од 60 истраживача запослених у Лабораторији, ради на истраживањима у областима ласерске и масене спектроскопије, развоју и применама плазмених извора, биохемији, биомедицини, генетици, зеленој хемији, хемији животне средине, теоријској хемији, развоју и примени савремених електрохемијских уређаја за производњу и складиштење електричне енергије, синтези, карактеризацији и примени наноматеријала, областима нуклеарне и националне безбедности, као и припреми, одговору и реаговању на ХБРН претње. Такође, сходно свом изворном усмерењу и захваљујући комбинацији основних и примењених истраживања, Лабораторија је свих ових година препознатљива по развоју и употреби специфичне хемијске аналитике.