Кафедру створено 1 вересня 2012 року на базі двох кафедр: експериментальної ядерної фізики та медичної фізики.

Школа експериментальної ядерної фізики в Харкові була заснована академіками К. Д. Синельниковим і А. К. Вальтером на рубежі 20-х і 30- х років ХХ сторіччя. У 1937 році у Харківському державному університеті імені О. М. Горького почала свою діяльність кафедра атомного ядра на чолі з А. К. Вальтером. Кафедра кілька разів змінювала свою назву. Наразі вона називається кафедрою експериментальної ядерної фізики. Діяльність кафедри зумовила створення школи експериментальної ядерної фізики в Харківському університеті, яка тісно стикалася з аналогічною школою Харківського фізико-технічного інституту (ХФТІ). Тим більше, що родоначальниками обох шкіл були одні й ті ж вчені: К. Д. Сінельніков і А. К. Вальтера. До 1965 року, поки А. К. Вальтер керував кафедрою за сумісництвом, будучи співробітником Харківського фізико-технічного інституту, школа розвивалася переважно в стінах названого інституту, так як штатних співробітників університету, що працюють на кафедрі, було мало, а навчальні заняття проводилися, в основному, співробітниками інституту.

З 1966 року кафедра продовжувала свій розвиток під керівництвом вихованця школи А. К. Вальтера професора І. І. Залюбовского. Відповідно, розвивалася і школа експериментальної ядерної фізики, яка характеризується широтою інтересів: експериментальна і теоретична ядерна фізика, фізика елементарних частинок, фізика космічних променів і астрофізика, радіаційна фізика, радіаційна біофізика, радіаційна акустика, фізика імпульсних сильноточних пучків електронів.

Наразі кафедра працює під керівництвом академіка Національної академії наук України, доктора фізико-математичних наук, професора Миколи Федоровича Шульги.