山西大学物理学科的发展历史悠久，早在1902年山西大学成立初期，中斋高等科中就开设了物理学科，1911年建立了理工科。1935年7月建立了理学院。1936年9月理学院正式开办了物理系。改革开放以来，物理学学科得到了长足发展，1981年光学学科成为山西大学第一批硕士学位授权点，1990年获得理论物理学科硕士学位授予权，1993年光学学科获得山西大学第一个博士学位授予权，1994年国家教委批准建立山西大学物理学基础科学人才培养基地，成为当时全国十四个物理学（含天文学）基地之一，1998年理论物理学科获博士学位授予权，1999年获准建立物理学博士后科研流动站，2002年光学学科被确定为国家重点学科，理论物理学科成为山西省重点学科，同年量子光学与光量子器件实验室成为国家重点实验室，2003年获得物理学博士一级学科授权。2005年和2008年，以彭堃墀院士为学科带头人的量子光学与光量子器件研究团队先后成为教育部创新团队和国家基金委创新群体。2007年，原子与分子物理学科成为省重点学科。山西大学物理电子工程学院同时还拥有信息与通信工程、光学工程一级学科硕士点，形成了物理学科基础研究与应用研究并重的学科群。

物理学学科依托量子光学与光量子器件国家重点实验室、物理电子工程学院、光电研究所、激光光谱研究所、理论物理研究所等平台，开展高水平科学研究和高层次人才培养工作。2003年，“全固化单模单频绿光激光器”荣获国家技术发明二等奖；2007年，“纠缠态光场及连续变量量子通信研究”荣获国家自然科学二等奖；还获得何梁何利基金科学与技术进步奖1项；国家教学成果二等奖2项；1名博士生的学位论文获得全国优秀博士论文，5名博士生的学位论文获得全国优秀博士论文提名。特别是光学、原子分子物理和理论物理学科的研究，已经进入本学科研究的前沿，成为国家基础研究和高层次人才培养的重要基地。