Основана в 1946 году (от кафедры «Строение вещества» позже ставшей кафедрой общей ядерной физики) как кафедра физики космических лучей и физики космоса.

С.Н. Вернов (1910-1982)	Г.Т. Зацепин (1917-2010)	М.И. Панасюк (1945-2020)

От основания и по 1982 год кафедру возглавлял академик Сергей Николаевич Вернов (с 1960 года он также руководил ИЯИ АН СССР). В 1982-2005 годах кафедрой заведовал академик Георгий Тимофеевич Зацепин (заведовавший отделом лептонов высокой энергии и нейтринной физики). На этом посту в 2005 году его сменил директор НИИЯФ, профессор Михаил Игоревич Панасюк, руководивший кафедрой до 2020 года. С конца 2020 по настоящее время обязанности заведующего кафедрой исполняет профессор Свертилов Сергей Игоревич (в 2022 официально утверждён в должности).

Кафедра физики космоса исторически тесно сотрудничала с различными отделами и лабораториями НИИЯФ, занимавшимися как космическими исследованиями, так и исследованиями космических позже объединёнными в отдел космических наук. Студенты и сотрудники кафедры ведут научную работу в лабораториях ОКН, участвуют в собственных проектах и экспериментах НИИЯФ (как наземных, так и космического базирования).