Кафедра была создана в 1954 году по инициативе академика Л.А. Арцимовича (ее первое название - кафедра атомной физики и электронных явлений), который и был ее первым заведующим до 1973 года. С 1973 по 1988 г. заведующим кафедрой был академик Е.П. Велихов, с 1988 г. по настоящее время - профессор А.Т. Рахимов. В 1966 г. для расширения ведущихся на кафедре научных работ в НИИ Ядерной физики МГУ был создан отдел физики плазмы (ОФП), в 1989 году переименованный в отдел микроэлектроники (ОМЭ). В 1988 г на кафедре была создана лаборатория криоэлектроники (ЛКЭ). Такова история организационного образования кафедры (которая кстати отражена и в постепенно трансформирующемся названии кафедры). Однако надо сказать, что сегодня это исторически сложившееся организационное деление является чисто формальным, т.к. исследования по всем научным направлениям ведутся одновременно сотрудниками, формально числящимися в разных структурных подразделениях кафедры.
Сегодня по различным научным направлениям, ведущимся по специальностям, преподаваемым на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники, работает около 100 научных сотрудников, среди которых 12 докторов наук и около 50 кандидатов наук.
За время своего существования на кафедре получен ряд крупных научных результатов. Приведем только два примера, наиболее характерных для современного развития так называемой науки высоких технологий.
Сотрудниками кафедры были впервые в мире реализованы и исследованы стационарные несамостоятельные разряды в газах атмосферного давления. В ходе исследований были получены уникальные физические результаты, позволившие понять электродинамику несамостоятельного разряда и влияние процессов в плазме на параметры газовых лазеров. Эти результаты оказали существенное влияние на формирование современной физики газового разряда и газоразрядных лазеров.
В ходе исследований электроразрядной накачки газовых лазеров было показано, что элементарные плазмохимические реакции в газовой фазе и гетерогенные реакции решающим образом влияют на электродинамические характеристики разрядов и существенно меняют состав низкотемпературной плазмы за счет сверхравновесной наработки химически активных радикалов. Исследования в этом направлении инициировали начало новых работ, связанных с использованием электрических разрядов в качестве плазмохимических реакторов. Результаты, полученные в этих исследованиях, явились основой для разработки нового направления плазменных методов, направленных на решение ряда проблем вакуумной электроники и микроэлектроники. Сегодня исследования в этом направлении сконцентрированы на разработке физических основ нового поколения плазмохимических реакторов, позволяющих перейти от микро к нанотехнологическому уровню в создании как Сверх Больших Интегральных Схем (СБИС), так и принципиально новых нано-структурированных материалов.
Во второй половине 80-х годов на кафедре и в отделе микроэлектроники НИИЯФ развернулись исследования физических принципов современной микроэлектроники, а также физических основ создания принципиально новой, сверхпроводниковой, электроники. Для построения цифровой сверхпроводниковой электроники была предложена концепция динамической быстрой одноквантовой логики, получившей затем всемирное признание. В 90-е годы в стенах кафедры стартовали исследования, давшие начало новому направлению в этой области - молекулярной одноэлектронике. В 1996 году впервые в мире был получен одноэлектронный транзистор на основе одиночной молекулы-кластера, а также продемонстрированы эффекты коррелированного туннелирования электронов в таких структурах при комнатной температуре.
В 2000-е годы на кафедре были разработаны плазменные методы получения наноуглеродных пленок, обладающих уникальными электрофизическими свойствами.
В настоящее время на кафедре ведутся теоретические и экспериментальные исследования по актуальным проблемам атомной и лазерной физики, физики низкотемпературной плазмы и газового разряда, сверхпроводимости, сверхпроводниковой электроники и одноэлектроники.
Пионерские исследования в этих направлениях были отмечены как нашим, так и международным научным сообществом, в частности Государственными и Ломоносовскими премиями.
Кафедра имеет тесные научные контакты с ведущими научными центрами страны: ФИ РАН, ИОФ РАН, ТРИНИТИ, НИЦ "Курчатовский институт", ИФТТ РАН и др., а также с зарубежными научными центрами США, Канады, Франции, Германии, Бельгии, Швеции и других стран.