高能物理所理论物理研究室的历史可以追溯到1950年。1949年11月中国科学院成立，1950年5月中国科学院决定在原北平研究院原子学研究所和中央研究院物理研究所原子核物理部分的基础上成立中国科学院近代物理所。理论物理被确定为研究内容之一，成立理论物理研究组（后为理论物理研究室），彭桓武付所长兼任组长。全组共八人：彭桓武、胡宁（兼）、邓稼先、朱洪元、黄祖洽、金星南、殷鹏程、于敏。
1951年2月3日，院长会议讨论第一期基建计划，决定近代物理所等在中关村建楼，当年年底即开工。随后，近代物理所迁至中关村大楼。
大发展（1955年-1966年）
从1953到1956年，一批年轻理论物理工作者充实进来，扩充了理论物理研究室。到1956年，理论物理室分为场论组、核理论组、反应堆理论组、计算数学组等。彭桓武任室主任，朱洪元任场论组组长，于敏任核理论组组长，黄祖恰任反应堆理论组组长，金星南任计算数学组组长。
1958年7月1日，中国科学院近代物理研究所正式改名为中国科学院原子能研究所，在坨里建立新的研究基地-原子能研究所二部，原中关村部分改为中国科学院原子能研究所一部，理论物理室搬迁到二部，金星南任室主任。场论组全部去苏联杜布纳联合核子研究所。
1960年底，理论物理室承担二机部提出的氢弹理论的探索研究，由钱三强主持，黄祖洽、于敏等开始热核材料性能和热核反应机理的基础研究。
1962年，理论物理室部分人员转入武器研究，为我国“两弹”做出了杰出贡献，其中包括两弹元勋彭桓武、于敏、邓稼先等。基础研究部分搬迁到原子能研究所一部，成立新的理论物理室（第四研究室）。在随后的几年里，研究人员进一步充实，到1966年，研究人员达到60人，在粒子物理理论和原子核理论方面是当时国内有重要影响的理论队伍。研究室分成基本粒子理论大组与原子核理论大组。朱洪元任主任。
1965年原子能研究所理论物理室朱洪元、汪容、何祚庥、冼鼎昌等提出了强子的层子模型的想法。随后原子能研究所理论物理室、科学院数学所和北京大学物理系组成北京合作组开展层子模型研究。
1966年，北京国际物理讨论会在京举行，理论物理室提供了层子模型及其应用和核结构方面多篇大会报告，受到国际上的重视。
十年浩劫中的理论物理室（1966年-1977年）
1966年开始“文革”，研究工作基本停顿。
1969年11月，理论物理室原子核理论组全部和基本粒子组部分人员下放到湖北“五七”干校和东北军垦农场劳动锻炼。以后，其他人员又分批到大兴五七干校劳动锻炼。以理论室留所人员为主成立“高能所筹备组”并进行中能强流质子直线加速器（698）可行性研究。
1971年，下放劳动锻炼人员陆续回所，重新开始理论物理研究工作。
1972年10月，全国第一次核物理大会在兰州召开，理论物理室在会上提出多篇报告，建议在我国开展中高能核物理的理论研究。
1973年2月1日，根据周恩来总理批示，二机部和中国科学院决定在原子能研究所一部的基础上成立“中国科学院高能物理研究所”，领导体制由二机部移交中国科学院，原中国科学院原子能所理论物理室改为中国科学院高能物理所理论物理研究室。
1974年夏，理论物理室从中关村搬迁到玉泉路19号院教二楼和图书馆。
改革开放与恢复发展（1978年-1987年）
1977年，理论物理研究室发起并在安徽黄山组织第一届全国粒子物理理论讨论会。
1978年，理论物理研究室发起全国中高能核物理大会并在安徽铜陵组织召开第一届大会，理论物理室提供主要大会报告。
1978年，中国科学院成立理论物理研究所，高能所理论物理研究室部分研究人员调到理论物理研究所。
1978年开始，陆续公派或自费公派研究人员赴西欧、美国等地访问研究。
开始请进国外学者讲学，1979年请黄克逊讲授粒子物理和规范场论。同年，李政道讲授粒子物和统计物理。1980年举办冬季核物理讲习班。
1978年9月1日，高能所恢复研究生招生，理论物理室成为博士生重点培养基地之一，录取首批研究生。培养了全国第一位理学博士。从恢复研究生招生到2006年底，理论物理室共培养博士研究生50多名。
1982年，中国科学院自然科学基金正式启动，理论物理室获得第一批自然科学基金支持。
1985年1月11日，中国科学院批准高能所试行博士后研究制度，理论物理首批设立博士后流动站。陆续有多名博士后来室工作，他们成为本室和其他单位的研究骨干。
开放联合，提高研究水平（1988年-1998年）
继续派人出国参加各种国际学术会议，加强学术交流，促进研究工作深入，与其他单位联合，在国内组织国际学术会议和双边学术会议。
1987年，以高能所理论物理研究室为主与美国卡内基梅隆大学联合在北京组织召开第一次中能物理国际讨论会，70多位国外学者参加。
理论物理室发起海峡两岸中能物理讨论会，1992年在高能物理所组织第一次会议。
除联系国际实验开展粒子物理与中高能核物理理论研究外，1989年起，密切配合北京谱仪上的实验开展粲物理和τ轻子物理的理论研究。
1995年2月起理论物理室参与τ-C工厂物理目标和可行性的论证，为BEPCII/BESIII的物理目标提供了打下基础。
深化改革，攀登新高峰（1998年-2007年）
1999年科学院实施知识创新工程第一批试点。1999年12月，院基础局组织专家评审确定，高能所理论物理室以知识创新项目方式率先进入科学院第一批知识创新工程。
2001年4月，高能所的知识创新试点方案获得通过，被批准以所为单元进入中国科学院知识创新工程二期试点。理论物理为高能所重要方向之一，参与在国内组织了一系列国际会议，配合BES实验开展理论工作，举办了多种研讨会，配合CSR开展理论工作。
2006年12月，科学院决定成立中国科学院大科学装置理论物理研究中心，挂靠高能所，加强大科学实验研究与理论研究的结合。
理论物理室发起和组织了多种国际和国内重要学术会议，发起并组织第一届全国粒子物理理论讨论会和第一届全国中高能核物理大会，组织了第一次中能物理国际讨论会，第10届国际介子-核子相互作用和核子结构讨论会和第一届海峡两岸中能物理讨论会等。到2006年，共组织了11次全国中高能核物理大会。