國立臺灣大學理學院是以培植高級科學研究人才與科學教育、科技實務之工作人員為宗旨。其所屬的12個系所學程及相關的教學研究單位，涵蓋了基礎科學、地球科學及社會科學三大領域。基礎科學方面包括了數學、物理、化學等學系暨研究所；地球科學方面包括了地質科學、地理環境資源、大氣科學等學系暨研究所，海洋研究所，以及氣候變遷與永續發展國際學位學程；社會科學方面則包括了地理環境資源及心理等學系暨研究所中推動人文及社會研究部分。另外，理學院目前設有7個院級中心，包括全球變遷中心、貴重儀器中心、空間資訊研究中心、大氣資源與災害研究中心、颱風研究中心、理論物理研究中心、身體心靈與文化整合影像研究中心。（註：本院生命科學領域相關系所，業於92年8月改隸生命科學院）
國立臺灣大學理學院的前身是臺北帝國大學的理農學部。1928年帝大創校之初，這個學部包含化學與生物兩個理學科，以及農學、農藝化學兩個農學科。這個編制的由來是創校時理農學部第一任部長大島金太郎「理農一體」的理念，視理學為農學之基礎。理農學部採用講座制度，在化學科中設有理論及無機化學講座、有機化學講座以及物理學講座；在生物學科中，屬於植物方面的有植物生理講座，植物分類講座及植物形態講座，屬於動物方面的有水產動物及比較生理學講座、哺乳動物及比較形態學講座、以及海洋生物學講座；另外在學部內設有數學講座，擔負數學教學的課程。理農學部在創校之初有本兼職助教以上之教員四十二人，第一屆學生入學時，化學科與生物學科各有五人。
1934年，大島病逝。動物學者青木文一郎由部內教授互選繼任部長，以後歷經數任部長。1940年，理農學部擴大編制，理學部門改編為化學、地質學、動物學、植物學四個「專攻」學門，畢業生授予理學士學位。據化學系前輩劉盛烈教授所言，「此種改編實為理農混一理念之最後掙扎」。三年後，理學部和農學部終於分立，蓋因理學注重基礎研究，與當時農學注重實用研究之取向有所扞格；且醫學部、工學部相繼成立，理學亦為其基礎，實不宜視為單為農學服務。理學部下轄化學、地質、動物、植物四個學科，由青木文一郎擔任首任部長，日後理學院以基礎科學、地球科學與生命科學而成三足鼎立之架構可謂於焉初具。嗣後直至我政府接收，理學部除講座數目有所增加外，四個科系的基本編制未再更易。
1945年8月，臺灣光復前理學部教授會議通過授予化學科劉盛烈等四人理學博士學位。其中三人為日籍人士，臺籍人士獲理學博士學位者以此為嚆矢。日據時期理學部研究風氣昌盛，例如物理學荒勝文策教授於1930年代製造出Cockcroft-Walton加速器，研究原子核反應，允為當時先驅者之一。化學研究更是迭有新猷，其中尤以分析紅檜油成分，提煉出純品Hinokitiol，此結構具有特異無比之七角環芳香構造，引起全球化學界之矚目；研究者野副鐵男教授亦因而享有令譽。此外，動物學青木文一郎教授研究臺灣之鼠類，植物學教授工藤祐舜等人致力於臺灣植物之採集分類，數學松村宗治教授研究微分幾何，氣象學白鳥勝義教授研究南方氣象特性，亦皆卓然有成。桃李不言，下自成蹊；日後臺大理學院師生重視研究之風氣，可謂其來有自。
民國34年，抗戰勝利，政府以羅宗洛、蘇步青、沈璿、戴運軌、馬廷英、陸志鴻、陳振鐸、陳達夫等八位教授為先遣，接收臺北帝大，改為國立臺灣大學，由植物學者羅宗洛擔任首任校長（任期民國34年8月至35年7月）。至此乃有理學院之正式成立，由數學教授蘇步青擔任首任院長。原帝大的四個學科分別成為化學系、動物學系、植物學系與地質學系。民國35年，沈璿教授繼任院長。理學院以帝大時期「數學教室」為基礎，開辦數學系，沈先生並兼任系主任。同時，戴運軌授教合併理學部之物理講座、工學部之工業物理講座、力學講座以及農學部氣象講座之一部份，創設物理學系。而化學系則早有基礎，整合理論化學、無機化學及第一、第二有機化學講座，由張定釗教授出任系主任。因此，基礎科學中數學、物理、化學三足鼎立之勢，在理學院草創之初期即已粲然大備。這三個系當時分佈於二號館、三號館及五號館的一部份。
在地球科學方面，帝大時期地質學科使用二號館二、三樓之東半。馬廷英教授鑑於地質系舟山路（時為基隆路）之現址環境清幽，乃將地質系移設該處。地質系一柱擎天地支撐著理學院早期地球科學研究多年，直至地理等系所成立為止。
在生命科學方面，羅宗洛校長自兼植物系主任，他接收帝大時之植物生理、分類與形態三個講座，發展成為植物系三個研究室，聘請于景讓及李惠林等教授主持。羅主任復於民國36年成立植物學研究所，為理學院內第一個設立的碩士班。動物學系則由陳兼善教授代表接收，自民國35年起由朱洗教授擔任第一任系主任。動物學系與植物系繼續共用一號館。
帝大時期，文政學部設「心理學研究室」，其藏書與儀器後為哲學系所接收。哲學系主任方東美教授屢向該系心理學教授蘇薌雨先生提出創心理系之議，復經傅斯年校長（任期民國38年1月至39年12月）鼓勵，民國38年心理學系正式成立，系館暫借文學院哲學系一隅進行研究與教學，但編制上則歸屬於理學院，此或許與傅校長留德時曾習實驗心理學之背景有關。至此，理學院中研究生命科學的三個主要學系植物、動物、心理亦已完備。
理學院成立初期，正處於時局紛亂，物質匱乏之際。然師生弦砍不輟，研究未嘗中斷。譬如物理系教授太田賴常、戴運軌及許雲基在荒勝教授1936年將主要機件與研究人員撤至日本京都大學而導致原子核物理研究長期停頓後，重新以殘存設備再造二十五萬伏特之Cockroft-Walton加速器，並於民國37年5月13日完成擊破鋰原子核之實驗，可代表此一時期之成績。
自民國38年起至四十年代末期止，理學院各系在化學系潘貫教授，物理系鍾盛標教授、化學系錢思亮教授（校長暫兼，校長任期民國40年1月至59年5月）、地質系阮維周教授等四位院長先後領導下穩定的發展。在這期間，化學系興建化學實驗館供大一、大二化學課程實驗之用，並且將研究室從二號館與三號館集中至新落成之理化大樓。同時，化學、物理、數學三系先後於民國45年與49年成立碩士班。化學系潘貫教授於民國47年當選中央研究院院士。嗣後本院教師錢思亮（化學）、項黼宸（數學）與阮維周（地質）等三位教授亦於五十年代至六十年代中期陸續獲選中央研究院院士。
在地球科學方面，地質系於民國45年設研究所，招收碩士班學生。其時之教育部長張其昀先生與高教司長孫宕越先生俱為學養深厚之地理學學者；他們鑑於國內地學領域之高等教育與國際學術間有明顯落差，乃決定推動國內地理學術發展。在此時空背景之下，理學院遂於民國44年8月成立了地理學系，由薛繼壎教授任系主任，下設地理組與氣象組。這些系所的成立使得理學院地球科學領域亦漸充實。
在生命科學方面，民國43年，動物系正式分動物生物及漁業生物兩組，並且成立「漁業生物試驗所」，由劉發煊教授擔任首任所長。漁業生物學研究逐漸發展成為動物系的一項特色。民國49年，動物系設立碩士班。植物系在此時間內擴建了標本館。此外，由心理系鄭發育教授設計之理學院建築於民國48年落成，成為心理系、地理系與理學院辦公室之共用館舍。心理系遂得以遷離文學院哲學系，一如其在學術發展史中脫離哲學而自立。兩年後，心理學研究所碩士班成立。
民國五十年代初期，理學院在阮維周院長轉任中研院總幹事之後，院長一職由數學系施拱星教授擔任，直至六十年代初期為止。其時國家經濟狀況日益改善，挹注於教育學術研究的經費與行政支持較前增加。早年出國之留學生此時亦逐漸學成回國服務。在此期間內，理學院無論師資、設備、館舍均有所增進。基礎科學方面，數學館、同位素館先後落成並增建。國家科學委員會(國科會)支援化學系與數學系成立化學與數學兩個研究中心，並完成兩中心之建築。研究資源的充實，不僅使理學院師生蟄伏的能力得以發揮，也使自信心與企圖心大為增強。以化學系而言，如林耀堂等諸位教授有關天然物化學、有機矽化學及聚醯胺薄層分析法之研究，足為代表；此外，心理系劉英茂教授有關學習行為之研究，地質系馬廷英教授有關大陸漂移學說與地球外殼整體滑動之論文，亦具水準。這些先驅者的工作，提振了理學院師生的研究風氣。在這樣的背景下，化學與物理研究所分別於民國55年與59年先後設立博士班，以期自行訓練高級人才，其他系所亦隨後跟進。
在地球科學方面，地質系之前館落成使用，地質研究所復於民國59年成立博士班。此期間一重大發展厥為成立海洋研究所。該所之設立源於中美科學合作委員會對海洋科學之重視，復經美國海洋學家Warren博士與Steinbach博士來華考察後對政府之建議。後由教育部與國科會推動，本院遂於民國57年8月成立海洋研究所，由參與籌備之動物系教授朱祖佑出任首任所長，招收碩士班研究生。該所設有海洋物理、海洋化學、海洋地質及地球物理、海洋生物及漁業等四組。從這個分組中可以明顯的看出海洋研究橫跨基礎科學、地球科學與生命科學的特性。此或可視為理學院內跨學門研究的一個正式開端。
在生命科學方面，心理學系擴建了系館的東側，並設置多間實驗室，以應付多位新回國教師日益增加之人類及動物研究。研究的提升使心理研究所於民國60年成立博士班。同時，由於訓練的遂漸充實，該系遂與訓導處合作，成立學生心理輔導中心，以擴大對學生的服務。
民國61年，化學系林渭川教授接替服務了十年的施拱星教授出任理學院院長。同年，化學研究所博士班第一位畢業生獲頒博士學位。自劉盛烈於1945年獲博士後即中斷之臺大理學博士培育於焉恢復。數學系則於民國65年成立博士班。地球科學方面，在亢玉瑾主任的努力下，地理系氣象組於民國61年獨立成為大氣科學系。此後數年多位受國外完整訓練之大氣學者回國任教，使該系之教學研究方向由過去之傳統氣象觀測拓廣為以天氣學、大氣動力學、數值天氣預報、及空氣污染研究為重點。影響所及不但大幅拓展大氣科學教育之視野，亦帶動國內大氣科學研究之現代化。地理系則由王秋原教授續任系主任。
生命科學領域在此期間大有發展。植物系研究所於民國61年成立博士班，並完成興建植研大樓。此期間最重要的發展莫過於生化研究所的成立。建所構想之萌芽，可回溯至民國47年。加州大學賀爾蒙研究所所長李卓皓博士以中華文化教育基金會特別講座之身分，應邀至臺大講學八週，介紹以蛋白質為主之生化科學研究。李教授當時即認為應加速國內蛋白質生化研究發展，並在國內培植人才。民國60年，李卓皓會同中央研究院、科導會(科學發展指導委員會)、國科會、教育部與臺大舉行籌備會議，商議於中研院籌設生物化學研究所，臺大成立生化科學研究所，兩單位密切合作。民國61年，生化科學研究所奉准成立，暫借化學系三間研究室，由化學系羅銅壁教授擔任所長，次年招收碩士班學生。生化大樓之興建亦於民國66年先後完工啟用。民國65年並曾舉行國際蛋白質研討會。以後一連舉辦過三次性質類似之研討會。生化科學研究所探討之主題與生命現象有密切關係，而其成立之初，實仰仗化學系之人才與設備，使理學院內基礎科學與生命科學之交流益形密切。
理學院在化學系教授羅銅壁院長領導下由民國六十年代末期進入七十年代。民國73年，理學院實驗大樓思亮館落成，容納化學、動物學、植物學、生物化學方面共同課程的學生實驗室。理學院辦公室亦由原地理系館遷入思亮館。同年，郭光雄教授繼任理學院長。同時國科會與化學系合作成立北區貴重儀器使用中心，使化學系得以購置核磁共振儀、質譜儀、與單晶繞射儀、熱分析儀等貴重儀器，對推展研究大有助益。
在地球科學方面，地理系在此期間師資陣容大為增強，於民國70、78年分別成立碩、博士班，海洋研究所則於民國73年成立博士班。大氣科學系亦設立研究所，並於民國71、76年分別招收碩、博士班學生。該系於民國73年協助中央氣象局建立數值天氣預報系統，並引進國內第一部超級電腦Cyber205。同時以全系之力，開始推動臺灣地區中尺度實驗計畫，於民國76年進行臺灣豪雨觀測實驗。
在生命科學方面，生化所及動物系分別於73、74年開始招收博士班學生。植物系於民國77年成立文山植物園。心理系於70年代之初期及後期分兩階段完成新系館之遷建，於民國79年完全搬離與地理系合用之原系館。在此其間，成立漁業科學研究所為一重要發展。民國70年代初期，農業復興委員會漁業組得知有可資運用之經費，經李崇道主任委員及袁伯偉組長協助，由動物系郭光雄教授及漁業試驗所梁潤生主任擘劃，於民國72年建成漁業科學館。復經黃仲嘉教授之戮力規畫與農復會之協助，肩負整合本校漁業相關科系之漁業科學研究所於75年8月成立。由理學院院長郭光雄推薦郭欽明教授擔任首任所長，招收碩士班學生。經過十年之努力耕耘，該所於民國86年招收博士班學生。
民國92年動物系、植物系合併為生命科學系，與動物學、植物學、漁業科學、生化科學4研究所改隸生命科學院。
植物系林秋榮教授在民國八十年代初期掌理理學院。嗣後，校園民主蔚為風潮，地質系陳正宏教授、數學系康明昌教授、化學系王瑜教授、地質系羅清華教授、物理系張慶瑞教授、化學系劉緒宗教授、大氣系吳俊傑教授先後於全院教員選舉中出任院長。隨著「學術自主」意識的高漲，學術界的自我期許與社會對學術水準的要求亦相對提高。臺大理學院各系實不宜再因襲傳統而無視於世界學術思潮以及國內其他大學之長足進步與競爭。有鑑於此，本校乃於民86年推動「教學研究單位評鑑辦法」，87年春理學院化學系、地質系及海洋研究所率先接受三至四天之實地訪察評鑑。希望透過定期的檢討，促成各系所師生的深刻自省，並對學術發展進行長期規劃，以達成提升理學院的整體學術表現的目標。
理學院師生多年來除了在學術基礎研究與培育科技人才上投注心力外，對國家社會實際問題之關懷與服務亦多所奉獻。各系所教師對推動科學教育、生態與環境保育、建立本土資料庫(如植物系之「臺灣植物誌」、動物系之「臺灣魚類誌」、本島地球科學與海洋資料庫之建立與整理、國人性格測量工具與常模之發展)等工作亦均竭盡所能，獲得相當之成果。
回顧自1928年理農學部成立及民國34年理學院正式建院以來，理學院基礎科學、地球科學與生命科學三個領域的各系所在篳路藍縷中，經過多年的擴充與發展，已漸臻成熟。光復初期本院教師多為學養深厚，識見弘遠之學者，其中數學系的蘇步青教授，化學系的莊長恭教授(民國37年6月至12月兼任校長)，與植物系的羅宗洛教授均為中央研究院第一屆院士。80年來，歷屆校友及教師中，當選為中央研究院院士的已71人之多(名單請參見本院榮譽榜，未含原屬本院現已改隸生命科學院之相關系所)。此外獲選為美國國家科學院院士、美國國家工程學院院士及美國人文科學院院士的則超過27人次，獲傑出人才講座14人、教育部設置學術獎及國家講座56人、科技部傑出研究獎171人次。 理學院擁有寬廣完整的學習領域，優秀的師資，先進的設備，表現極為優異。八十年來，臺大理學院為我國培育無數國際水準的科學家。1986年諾貝爾得主李遠哲博士是理學院化學系校友。見賢而思齊，理學院今後應邁入全力追求卓越的階段，以期青出於藍而更勝於藍。如何達成這樣的時代使命，將有賴於全院師生的共同努力。
發展目標
- 強化課程，提升教學水準。以多元化課程激發學生學習興趣，奠定學生堅實之科學研究基礎，培育頂尖科學研究人才。
- 執行先進科學研究項目與重大計畫，充實教學與研究設備，提昇教學與研究水準及國際間之競爭力，以臻世界一流學術地位。
- 積極建立國際學術合作關係、加強國際學術交流。鼓勵師生積極參與國際學術事務，提昇本院國際知名度。
- 定期舉辦學術研討會與演講，推動跨學門、領域之合作研究，共享資源，激發新構想，開創新契機，邁向尖端科技研究之領域。
強化國際合作關係
- 本院積極推動國際學術合作關係，目前已與數十所國際知名大學與學術研究單位簽訂雙邊或多邊的研究或教學合作，有效提供教師學術合作交流管道，並提供同學出國從事學習與研究的機會。
- 本院各系所均有每週或定期的學術演講，並時常舉辦跨院系或跨領域的學術研討會或討論會，多數演講者均來自國外地區，其中不乏諾貝爾獎項得主。
- 本院教師不乏擔任國際期刊的編輯、國際學術會議的主席、學術活動的召集人者，充分顯示本院教師學術表現已受國際肯定。
學術研究重點
基礎科學領域
- 數學：純數學(含分析、代數、幾何)、應用與計算數學、機率與金融數學、統計科學。
- 物理：場論與粒子物理、原子核與中能物理、原子分子物理、天文物裡、凝態物理、雷射物理、光學、統計物理、流體力學。
- 化學：功能性材料之設計與合成、生醫化學與科技、分子構造與影像技術、環境科學與永續化學的發展。
- 心理學：社會科學、心智科學與生命科學三大學術範疇均衡發展，涵蓋認知、知覺、人格社會、生理、計量、發展、工商、臨床等心理學領域。
地球科學領域
- 地質：地震與活斷層、大地構造與環境變遷、地球物理、地下水文與工程地質。
- 大氣：劇變天氣與颱風、大氣環流與氣候、環境變遷。
- 地理(自然地理領域)：邊坡穩定、坡地水文、生態環境、集水區經營管理。
- 海洋：海洋資源與環境、大陸礁層、海洋生態與漁業、南海區域海洋科學研究。
- 全球議題：國際海洋鑽探、國際大陸深鑽計畫、國際海洋全球變遷、古環境變遷、東南亞地體動力研究等。
社會科學領域
- 心理學：華人社會關係、企業組織型態、親子關係等研究。
- 地理(人文地理領域)：都市與區域發展、全球化與地方文化、以及健康地理學研究（包括疾病的地理擴散與監測、城鄉差距，以及相關社會文化衝擊）。