Кафедра берет начало от кафедры физики, созданной вместе с университетом в 1943 году. Преподаватели кафедры проводят обучение студентов технических специальностей по дисциплинам «Физика» и «Общая физика». За время своего развития кафедра сменила ряд названий: «Физика №1», «Общая и теоретическая физика», «Компьютерное моделирование и нанотехнологии». Современное название «Физика наноразмерных систем» кафедра получила в 2019 году, когда она стала выпускающей по направлению «Электроника и наноэлектроника». Состав кафедры включает более 20 докторов и кандидатов наук.

Выпускники кафедры работают в научных институтах России и мира: Федеральный ядерный центр (г. Снежинск), Институт физики металлов УрО РАН, Brookhaven National Laboratory (США), Technical University of Munich (Германия), Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (Германия), а также на многочисленных предприятиях России: АО «НПО «Электромашина», ООО «Станкомаш», АО «Челябинский радиозавод «Полёт», ОАО «Завод Теплоприбор», ООО «Элметро Групп», АО НПК «Теко», ООО «Планар» и т.д.

На бакалавриате студенты получают знания по современным направлениям развития микро- и наноэлектроники, по применению электронной техники в системах извлечения, передачи и обработки информации.

Серьезное внимание уделяется научной деятельности. Д.ф.-м.н. Ю. В. Микляев (лаборатория сенсорики) занимается созданием волоконно-оптических сенсоров различного применения (при финансовой поддержке ФГУП «РФЯЦ ВНИИТФ им. академика Е. И. Забабахина».

Д.ф.-м.н. С. А. Подошведов (лаборатория квантовой инженерии света) занимается разработкой новых алгоритмов квантовых вычислений на основе специфических состояний света.

Д.ф.-м.н. доц. В. П. Бескачко (первопринципное моделирование перспективных материалов) с учениками(Е. В. Аникина, С. А. Созыкин) иколлегами (А. А. Мирзоев, А. В. Верховых). изучает взаимодействие водорода с низкоразмерными и объемными структурами.

К.ф.-м.н. Ф. В. Подгорнов (лаборатория молекулярной электроники) занимается электрической характеризацией мезофазных материалов с высокой симметрией. Эта работа позволит создать элементную базу электроники будущего.