理学院的主体前身始建于1952年建校之初。当时与我院相关的化学部和基础工作部分属两个部门。化学部为我校无机化工、有机化工、化工机械等专业开设了无机化学，有机化学，物理化学等基础课程。1978年，学校迁回沈阳恢复原校名“沈阳化工学院”，成立了以四大化学教研室为基础的应用化学系。1988年，应用化学系更名为精细化工系，下设无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、精细化工、有机化工等教研室。1999年，又复名为应用化学系，下设无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、应用化学、环境工程、生物工程等教研室。2002年，分出环境工程、生物工程教研室后成立应用化学学院。
原基础工作部由数学，物理，体育和外语四个学科构成，承担学校的高等数学，大学物理，体育和外语等相关基础课程。1985年，和管理专业整合为管理工程系，下设管理，数学，物理，外语和体育5个教研室。1990年前后又从管理工程系分离出来，恢复原基础工作部。1993年，外语从基础工作部分离出去，2002年体育从基础工作部分离出去，至此基础工作部只剩下数学和物理两个学科。2004年数学和计算机专业联合办学，信息与计算科学专业开始招生。2005年物理和材料专业联合办学，材料物理专业开始招生，自此基础工作部更名为数理系，下设工程数学，高等数学，应用数学，大学物理，数物专业5个教研室以及大学物理实验中心等6个部门。2012年，数理系申报应用物理专业成功，开始独立招生，原材料物理专业转回材料学院招生。2016年，信息与计算科学专业转回计算机学院招生，撤销应用数学教研室。
2019年12月，应用化学学院和数理系整合创建理学院。
