Физико-Технический институт АН БССР был основан в результате реорганизации структуры Академии наук БССР постановлением Президиума АН БССР от 29 марта 1931 года. Предложенная реорганизация Академии наук БССР была утверждена постановлением Совета Народных Комиссаров БССР 13 мая 1931 года.
С 1937 по 1939 год директором института был Дмитрий Иустинович Горин (1907–1991). Коллектив института продолжал работы в области металловедения, термообработки, разработки новых устройств для структурного анализа металлов и сплавов, приборостроения.
В 1947 году директором института был утвержден академик Константин Васильевич Горев (1904–1988). Под руководством К.В. Горева в лаборатории металловедения в числе первых в СССР были начаты работы по получению направленно закристаллизованных эвтектических сплавов.
Физико-технический институт, занимался решением важных фундаментальных и прикладных задач, связанных с созданием новых технических средств для предприятий машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности.
С 1956 года Институт возглавил академик АН БССР Василий Петрович Северденко (1904–1978). С именем этого крупнейшего ученого и организатора науки в области пластичности, металлофизики и металлообработки связаны исследования по всему спектру проблемных вопросов о металлическом материале: деформируемость, сопротивление деформированию, термомеханические режимы процессов горячего, полугорячего и холодного деформирования, оптимизации процессов обработки металлов давлением. С приходом В.П. Северденко значительно расширилась география внедрения разработок института по всей стране. С начала 60-х годов Институт начал выполнять работы для предприятий на основе хозяйственных договоров.
В 1970 году было организовано отделение Физико-технического института в г. Могилеве, впоследствии выросшее в Институт технологии металлов.
Президиум Верховного Совета Союза Советских Социалистических Республик за заслуги в развитии физико-технических наук и подготовке научных кадров указом от 24 марта 1981 года наградил Физико-технический институт Академии наук Белорусской ССР орденом Трудового Красного Знамени.
С 1983 года директором Физико-технического института АН БССР стал академик Станислав Александрович Астапчик (1935–2015) — известный ученый в области материаловедения конструкционных материалов для машиностроения.
В 1986 году С.А. Астапчику в составе группы авторов присуждена Государственная премия СССР в области науки и техники.
В 2002 году директором института становится академик Анатолий Илларионович Гордиенко (1941). Под его руководством и при непосредственном участии разработаны и внедрены в производство процессы перекристаллизации крупногабаритных заготовок жаропрочных титановых сплавов, скоростного рекристаллизационного отжига труб, упрочнения листовых полуфабрикатов и изделий типа шасси, деталей летательных аппаратов, получения броневых материалов. За разработку теории, технологии и оборудования для получения броневых гетерофазных материалов и организацию их крупносерийного производства для средств индивидуальной защиты А.И. Гордиенко в составе авторского коллектива присуждена Государственная премия БССР в области науки и техники (1988).
В 2003 году в результате присоединения к институту Государственного научного учреждения «Инженерный центр «Плазмотег» НАН Беларуси» в Институте получило развитие новое направление в области исследований и разработки алмазоподобных покрытий различного функционального назначения для медицины, техники, сельского хозяйства.
Занесены на Доску почета Национальной академии наук Беларуси.
В 2016 году директором Института утвержден доктор физико-математических наук Виталий Геннадьевич Залесский – известный ученый в области электронно-лучевых и плазменных технологий. Под руководством В.Г.Залесского Институт активно участвует в инновационных, международных и социально-значимых проектах, таких как создание собственного производства бронежилетов для нужд Республики Беларусь; подготовка бизнес-планов по развитию ряда предприятий, обеспечение комплексных научно-технических решений в интересах ряда предприятий, создание собственных инновационных производств в области инженерии поверхности, термической и химико-термической обработки материалов; разработка и создание сверхпроводящих ускорителей нового поколения в рамках международного научного проекта уровня «мега-сайенс».
13 мая 2021 г. состоялось открытие музея Физико-технического института Национальной академии наук Беларуси. Событие было приурочено к 90-летию института и состоялось в торжественной и праздничной обстановке, в присутствии множества гостей.
21 декабря 2022 года на здании Физико-технического института НАН Беларуси открыта мемориальная доска в честь академика НАН Беларуси Анатолия Илларионовича Гордиенко. А.И.
29 декабря 2023 г. Бюро Президиума Национальной академии наук Беларуси определило топ-10 результатов деятельности ученых Академии наук за 2023 год в области фундаментальных и прикладных исследований. В числе лучших результатов – разработка Физико-технического института «Создание технологии изготовления сверхпроводящих высокочастотных ниобиевых резонаторов ускорителей электронов и протонов. Авторы комплекса работ: Виталий Геннадьевич Залесский, Игорь Леонидович Поболь, Артур Игоревич Покровский, Владимир Степанович Петраковский, Алексей Игоревич Поболь, Александр Алексеевич Бурин.
11 января 2024 г. в ФТИ НАН БЕларуси состоялось торжественное открытие участка по исследованию и разработке технологии переработки литий-ионных ячеек.
4 апреля в ФТИ НАН Беларуси состоялось торжественное открытие конструкторского центра инновационных разработок.
29 апреля 2024 года состоялось торжественное открытие обновлённой Доски Почета НАН Беларуси. В соответствии с Постановлением Бюро Президиума НАН Беларуси от 11.04.2024 № 149 ФТИ НАН Беларуси признан победителем и занесен на Доску почета Национальной академии наук Беларуси за достижение в 2023 году наиболее высоких показателей в научной, научно-технической, инновационной, производственной и социальной деятельности.
29 января 2025 г. сотоялось открытие нового научно-производственный участка высокотемпературной вакуумной термической обработки.
30 апреля 2025 г. состоялось официальное открытие обновленной Республиканской доски Почета. Указом Президента Республики Беларусь Александра Григорьевича Лукашенко от 23.04.2025 №168 ФТИ НАН Беларуси определен одним из победителей среди научных организаций, которые занесены на Республиканскую доску Почета за достижение высоких результатов в сфере социально-экономического развития по итогам работы за 2024 год.
