理学院成立于2019年12月，由原应用化学学院和数理系整合创建。
理学院现设化学、应用物理学2个专业教研室；无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、高等数学第一教研室、高等数学第二教研室、工程数学、普通物理8个基础教研室。设有化学和应用物理学 2个本科专业，其中化学专业为辽宁省一流本科专业建设点。拥有化学一级学科硕士学位授权点、材料与化工二级学科硕士点。化学学科ESI排名全球前1%，是沈阳化工大学唯一进入ESI排名全球前1%的学科。
学院承担全校《高等数学》《线性代数》《概率论与数理统计》《大学物理》等基础理论课程，以及化学化工类《无机化学》《分析化学》《有机化学》《物理化学》等专业基础课程的教学工作。同时，面向化学、应用化学、应用物理学专业开设全部或部分专业课程，年均授课班级500余班次，授课组态150余个，指导本科毕业论文110余人。学院基础实验中心承担全校理工46个专业130余个班的大学物理、无机化学、有机化学、物理化学、分析化学以及仪器分析实验、化学专业实验等 7 门专业实验课程，共计 87 个实验项目，实验课程年均421,256人时数。
学院有辽宁省稀土化学及应用重点实验室、辽宁省无机分子基重点实验室及辽宁省基础化学实验教学示范中心等科研教学平台。学院实验设施优良，现有实验室面积1万多平米，有500兆核磁、扫描电镜等大型仪器设备，能够很好的保证学科各项科研工作的需要。学院师资力量雄厚，现有教职工120余人，其中教授16人、副教授39人、讲师53人，90%以上教师具有博士、硕士学位。拥有辽宁省优秀专家1人、辽宁省教学名师4人、辽宁省优秀教师2人、辽宁省“兴辽英才百千万工程”领军人才1人、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才2人、辽宁省“百千万工程”百人层次2人、千人层次3人、辽宁省优秀青年骨干教师2人。近年来，获国家教学成果二等奖1项；辽宁省教学成果奖等一等奖2项；辽宁省优秀教师团队1个；承担多项国家自然科学基金项目，国家973、863项目以及省、市和企业等科研攻关项目。
学院积极开展对外交流，先后与日本富山大学、美国加州大学伯克利分校建立了学生联合培养制度；与波兰、韩国、马来西亚等多所大学长期保持科技合作、学术交流和研究生交流。还聘请包括国家自然科学一等奖获得者、国际著名化学家赵东元院士；国际著名化学家、日本科学院椿范立院士等一批国内外著名科学家为兼职(名誉)教授。