初期の数理物理学の先駆者として、11世紀のイラクの物理学者・数学者イブン・アル・ハイサム（ラテン語名Alhacen、965年-1039年）を挙げることができる。彼の数学的モデルと、それらが彼の著書「光学の書」（1021年）において感覚・知覚の理論に果たした役割は、後の数理物理学の基礎となる重要なものである[2]。 他にもこの時代には、アル＝ビールーニーやアル＝カジニなどが、代数学や精密な計算手法を統計学や力学に導入した[3]。
17世紀には、イギリスの物理学者・数学者アイザック・ニュートン（1642年-1727年）が、物理学上の問題を解くための重要な数学的手法（微分法や、ニュートン法などの数値解析手法）を開発した。また、（光の波動論で知られる）オランダのクリスティアーン・ホイヘンス、天体運動に関する方程式の発見で知られるドイツのヨハネス・ケプラー（1571年-1630年）などが活躍した。
18世紀には、スイスの（流体力学や弦の振動などについて業績を残した）ダニエル・ベルヌーイ（1700年-1782年）や（変分原理、力学、流体力学や、その他多くの業績を残した）レオンハルト・オイラー（1707年-1783年）が数理物理学を大きく発展させた。また、フランスのジョゼフ＝ルイ・ラグランジュ（1736年-1813年）は、力学と変分法に関して顕著な業績を残した。
18世紀後半から19世紀初頭のフランスでは、（数理天文学、ポテンシャル理論、力学で有名な）ピエール＝シモン・ラプラス（1749年-1827年）や、力学、ポテンシャル理論の発展に貢献したシメオン・ドニ・ポアソン（1781年-1840年）、またドイツでは、（磁性の研究を行った）カール・フリードリヒ・ガウス（1777年-1840年）や（力学や調和変換に関する業績を残した）カール・グスタフ・ヤコブ・ヤコビ（1804年-1851年）などが活躍した。
ガウスは、オイラーとともに三大数学者の一人とされている。彼の非ユークリッド幾何学への貢献は、彼に続くベルンハルト・リーマン（1826年-1866年）によるリーマン幾何学の基礎となった。これは後述する一般相対性理論の核心をなすものである。
19世紀にはジェームズ・クラーク・マクスウェル（1831年-1879年）がマクスウェル方程式を確立し、同じくイギリスのケルヴィン卿（1824年-1907年）は、熱力学に関して本質的な発見を行った。イギリスでは他にもレイリー卿（1842年-1919年）が音波についての研究を行い、ジョージ・ガブリエル・ストークス（1819年-1903年）が光学、流体力学の研究を発展させた。アイルランドでは、ウィリアム・ローワン・ハミルトン(1805年-1865年）が力学の研究を行った。ドイツでは、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ（1821年-1894年）が電磁気学、波動、流体、音波の研究で業績を残した。アメリカでは、ウィラード・ギブズ（1821年-1903年）による先駆的研究が、統計力学の基礎となった。これらはいずれも、電磁気学、流体力学、統計力学の基礎を成している。
19世紀末から20世紀初頭には、特殊相対性理論が誕生した。特殊相対論はオランダのヘンドリック・ローレンツ（1853年-1928年）、アンリ・ポアンカレ（1854年-1912年）らによって先鞭が付けられた後、アルバート・アインシュタイン（1879年-1955年）によって完全に明瞭な形で定式化された。アインシュタインはこれを推し進め、一般相対性理論を構成する、幾何学的なアプローチを用いた重力理論に到達した。これは19世紀のガウスとリーマンによる非ユークリッド幾何学に基づくものである。
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アインシュタインの特殊相対性理論は、時間と空間のガリレイ変換を、ミンコフスキー空間での4次元のローレンツ変換に置き換えた。また一般相対性理論は、平面上のユークリッド幾何学を、曲率が質量分布によって決まるリーマン多様体上の幾何学に置き換えた。これはニュートンのスカラー重力をリーマン曲率テンソルに置き換えたものである。
20世紀におけるもう一つの革命的成果として、量子力学を挙げることができる。量子力学は、マックス・プランク（1856年-1947年）による黒体輻射の研究、及びアインシュタインによる光電効果の研究から生まれた。これは当初、アルノルト・ゾンマーフェルト（1868年-1951年）とニールス・ボーア（1885年-1962年）の発見的方法によって定式化されたが、間もなくマックス・ボルン（1882年-1970年）、ヴェルナー・ハイゼンベルク（1901年-1976年）、ポール・ディラック（1902年-1984年）、エルヴィン・シュレーディンガー（1887年-1961年）、及びヴォルフガング・パウリ（1900年-1958年）らによって発展した量子力学によって置き換えられた。量子力学は、状態の確率的な解釈と、ダフィット・ヒルベルト（1862年-1943年）によって導入された無限次元ベクトル空間（ヒルベルト空間）上での自己共役作用素に関する理論に基づいている。例えばディラックは、電子の相対論的なモデルを代数的な構造を用いて構築し、これによって生じる磁気モーメントや、その反粒子であるポジトロンの存在を予言した。
その後の20世紀の数理物理学の発展は、サティエンドラ・ボース（1894年-1974年）、ジュリアン・シュウィンガー（1918年-1994年）、朝永振一郎（1906年-1979年）、リチャード・ファインマン（1923年-）、湯川秀樹（1907年-1981年）、ロジャー・ペンローズ（1931年-）、スティーヴン・ホーキング（1942年-）、エドワード・ウィッテン（1951年-）らによるところが大きい。