1991年8月，學校整合應用數學、地震及物理三個研究所成立理學院，由當時擔任教務長的鄭國順教授兼代院長，負責規劃順應潮流且具遠見願景的理學院。次年8月增設化學研究所碩士班、數學系、物理學系以及應用數學研究所博士班，開始招收本院首屆大學部學生和博士生。

為因應相繼增設系所而增加的行政業務，學校於1993年8月延聘中央研究院研究員葉永田教授擔任理學院院長，積極推動院務。同年8月，化學系開始招收大學部學生，數學系增設數理統計研究所碩士班。在葉院長的三年任期中，理學院增設應用地球物理研究所碩士班並確立中長程增設系所發展規劃。

1996年8月由化學系周德璋教授接任院長職務，理學院相繼增設數學系碩士班、分子生物研究所碩士班及化學系、物理系、數學系、地震研究所四個博士班，而數理統計研究所於89學年度更名為統計科學研究所；另教育部核定自91學年度（2002年8月）起設立地球與環境科學系及化學系更名為化學暨生物化學系。

2002年10月借調中央研究院分子生物研究所黃昭蓮研究員擔任理學院院長，同年亦獲教育部核准於92學年度(2003年8月)增設生命科學系，使理學院更加完整。

2004年7月31日黃昭蓮院長卸任並歸建中央研究院分子生物研究所，同年8月起由化學暨生物化學系洪永叁主任代理院長，至2005年8月2日起改由物理系陳恭教授繼續兼代院長職務。

2006年6月20日由生命科學系暨分子生物研究所張德卿教授接任院長，2006年8月生命科學系生物醫學研究所碩士班增設成立，2008年2月理學院二期大樓正式啟用。

2009年8月1日由物理學系許佳振教授擔任院長，2012年8月1日起現任院長由化生系周禮君教授擔任，並帶領理學院繼續成長茁壯。

2015年8月應用地球物理與環境科學(碩士班、碩士在職專班)更名為地球與環境科學系(碩士班、碩士在職專班)；2017年8月生命科學系更名為生物醫學科學系、數學系博士班及數學系應用數學博士班整併更名為數學系數學科學博士班。

2018年8月1日起由地球與環境科學系陳建易教授接任院長，並聘請物理系林俊元教授、生物醫學系陳永恩教授（兼任生醫系主任）、物理學系蘇旺昌教授（兼任物理系主任）擔任理學院副院長乙職，協助陳院長推動院內計畫與整合研發能量、深耕計畫規劃執行、推動全英語國際學位學程。2020年7月蘇旺昌教授卸任副院長乙職，並由化學暨生物化學系廖儒修教授（兼任化生系主任）接任副院長乙職。

2020年獲教育部核定通過於110學年度（2021年8月）起設立「跨領域科學國際博士學位學程(全英語授課) 」；同年「地球與環境科學系地震學博士班」亦獲教育部核定通過於110學年度（2021年8月）更名為「地球與環境科學系地震學暨地球與環境科學博士班」。