Кафедра физической химии как самостоятельное структурное подразделение химического факультета образована в 1968 г. С момента образования и до настоящего времени преподавательский и учебно-вспомогательный персонал кафедры, в основном, комплектовался из выпускников Мордовского университета.
Первым заведующим кафедрой был кандидат технических наук, доцент Кувакин Михаил Алексеевич, участник Великой Отечественной войны. Под его руководством работали Пируев М. И., Шеянов Н. Г., Сульдин Б. В., Сунин А. Н., Любовицкая Т. П., Теплова Т. П., Пронина В. Г., Соловьёва Е. И., Яшков В. А. Основным научным направлением кафедры являлся — физико-химический анализ расплавов солей. Результаты исследований были направлены на улучшение технологии применения флюсов в металлургическом производстве.
С 1973 года по 1983 год заведующим кафедрой физической химии являлся кандидат химических наук, доцент Сульдин Борис Васильевич. В это время на кафедру приходят работать преподаватели Санаева Э. П., Бузулуков В. И., Томилин О. Б., Логинов В. С., Живечкова Л. А., инженер Явкина А. В. Под руководством Сульдина Б. В. научные усилия кафедры направлены на исследование механизма взаимодействия аминов с органическими гидропероксидами и элементоорганическими соединениями, а также кинетики протекания этих процессов. Актуальность этих исследований связана с созданием инициирующих систем процесса полимеризации и модификации полимеров. ВНИИИС им. А. Н. Лодыгина, Саранский кабельный завод, Саранский завод медицинских препаратов — промышленные и научные партнёры кафедры в проведении совместных изысканий, направленных на совершенствование производства. В составе кафедры в разные годы работали Лисицин Ю. Г., Балыкова А. П., Мун Г. А., Казакова М. Н., Камаева О. В., Кильдюшов С. А., Уваров С.И.
С 1983 года по настоящее время заведующим кафедрой физической химии является кандидат химических наук, доцент Томилин Олег Борисович. В это время на кафедру приходят работать преподаватели Коновалова Е. П., Фомина Л. В., Мелешкин А. С., Клякин А. Н., Демкина С. И., Романова Э. В., Бояркина О. В., Мурюмин Е. Е., Фадин М. В., Родионова Е. В., Родин Е. А., Арасланкин С. В., Красильникова Н. В., зав. лабораториями Ягудин А. Я., Стрыгина Р. Г., ведущим программистом Гайдук Е. А., инженерами Кечайкина Л. Н., Щербаков В. М., Рябкина Л. В., Зорина Т. М., Балашкина С. Ю., Лобанова Е. В., Рыськина Н. П., Щипакин С. Ю. Сфера применения научных усилий работников кафедры значительно расширилась в направлении фундаментальных исследований химического материаловедения. Это изучение возможности создания органических «ферромагнетиков», изучение основных закономерностей протекания высокотемпературных процессов в тепловых источниках света, изучение возможности создания керамик, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью, изучение закономерностей строения гомоатомных кластеров, моделирование процесса синтеза-сборки фуллеренов, изучение особенностей адсорбции на углеродных нанотрубках, изучение квантово-размерных эффектов в ультратонких пленках при фотоионизационной спектроскопии. Кафедра приобретает российскую известность работами в области педагогики высшей школы. В своих исследованиях кафедра тесно сотрудничает с физическим, светотехническим, строительным, биологическим факультетами, факультетом электронной техники университета. В составе кафедры в разные годы работали Тутаева А. А., Санягина Н. А., Самарин Ю. А., Пиняскин В. В., Киреев Д. В., Южалкин В.Н.
В структуре кафедры действуют лаборатория коллективного пользования спектральных методов (научный руководитель доц. О.Б.Томилин). Лаборатория коллективного пользования спектральных методов обеспечивает измерение спектров поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра образцов неорганических, органических и элементоорганических веществ. Заказчиками работ являются факультеты и институты университета, предприятия РМ.
Заведующий кафедрой доцент Томилин О. Б., профессор кафедры Бузулуков В. И. имеют почетное звание «Заслуженный работник высшей школы Республики Мордовия», доценты кафедры Живечкова Л. А., Мурюмин Е. Е. награждены Почетными грамотами Правительства республики Мордовия.
За цикл научных работ профессору кафедры Бузулукову В. И. присуждена Большая золотая медаль Российской академии архитектуры и строительства. Заведующему кафедрой доцент Томилину О. Б. Международным научным фондом присвоено почетное звание Соросовский доцент (1995 г., 1998 г., 1999 г., 2000 г., 2001 г.).