西北大學物理學系肇始于1937年，由當時因抗戰遷陜的國立北平大學、國立北平師范大學和北洋工學院三校的物理學科合并構成，著名物理學家張貽惠教授為首任系主任，張貽惠、岳劼恒、吳銳、龍際云、張佩瑚等一大批知名學者執教于此。70多年來，物理學科為國家培養了8000余名高級專業人才，畢業生中涌現出一大批知名專家學者而與學術楷模，如中國科學院院士侯洵、張殿琳，中國工程院院士張彥仲、劉加平，俄羅斯自然科學院外籍院士任益民，歐洲科學院通訊院士吳如山，“知識分子楷模”羅健夫，黨中央樹立的“全國重大典型”、被譽為“中國的驕傲”的“侯氏變換”理論創立者侯伯宇等。
物理學科是國家“211工程”重點建設學科，擁有“國家理科基礎科學研究與教學人才培養基地”，“國家級物理實驗教學示范中心”，物理學博士后科研流動站，物理學一級學科博士、碩士授權點，光學工程一級碩士學位授權點，“陜西省物理學研究型創新人才培養模式創新實驗區”等學科平臺。現設物理學、光電信息科學與工程、應用物理和材料物理四個本科專業，其中物理學和光電信息科學與工程兩個專業為國家級特色專業和陜西省名牌專業。2013年，物理學、應用物理、材料物理專業按照物理學類，實行大類招生。