Естественнонаучный институт в структуре ТулГУ является преемником Физико-технического факультета, основанного в 1996 на базе Центра фундаментальной подготовки (1994 г.).

Центр фундаментальной подготовки. Образован на правах факультета в 1994 г. в соответствии с решением Совета ТулГТУ от 26.11.1993 г. (приказ от 20.01.96 г. № 16). Общее руководство Центром возложено на первого проректора Н.Н.Фролова . Деканы Центра: к.ф.-м.н., доц. Нечаев Л.М. (01.94 г. — 06.94 г.)., д.т.н., проф. Сидоров П.Г. (06.94 г. — 05.96 г.). В 1996 г. на базе Центра фундаментальной подготовки были образованы Механико-математический факультет и Физико-технический факультет .

Основанием для организации Центра фундаментальной подготовки стала реорганизация Тульского политехнического института в технический университет и переход на многоступенчатую систему подготовки специалистов, что обусловило необходимость усиления фундаментальной общенаучной и общетехнической подготовки студентов.

В составе Центра вошли кафедры:

• вычислительной математики, зав. каф. д-р физ.-мат. наук, проф. А.А.Маркин;
• высшей математики, зав. каф. канд. физ.-мат. наук, доц. И.К.Архипов;
• физики, зав. каф. д-р техн. наук, проф. А.П.Мокров;
• химии, зав. каф. канд. хим. наук, доц. В.А.Алферов;
• теоретической механики, зав. каф. к.ф.-м.н., доц. Л.М. Нечаев;
• механики материалов, зав. каф. д-р физ.-мат. наук, проф. Н.Н Фотиева.;
• теории машин и механизмов, зав. каф. д-р техн. наук, проф. П.Г.Сидоров;
• деталей машин, зав. каф. д-р техн. наук, проф. В.Л.Баранов;
• начертательной геометрии и инженерной графики, зав. каф. д-р техн. наук, проф. С.А.Васин.

Физико-технический факультет. Образован в 1996 г. (приказ от 5.05.96 г. № 324) на базе Центра фундаментальной подготовки. Деканы факультета: д-р техн. наук, проф. П.Г.Сидоров (1996 г. — 1998 г.), д-р физ.-мат. наук, проф. Д.М.Левин (1998 г. — 1999 г.).

Основанием для организации факультета стала необходимость в усилении естественнонаучной подготовки студентов всех имеющихся в вузе специальностей и в расширении в Тульском государственном университете набора направлений и специальностей, обеспечивающих подготовку специалистов в классических естественнонаучных направлениях: физика, химия, техническая физика, физика металлов, и др.

В состав факультета включены кафедры:

• инженерной графики и дизайна, зав. каф. д-р техн. наук, проф. С.А.Васин;
• физики, зав. каф. д-р физ.-мат. наук, проф. Д.М. Левин;
• материаловедения и технологии новых материалов, зав. каф. д-р техн. наук, проф. С.А.Головин;
• производства машин и аппаратов, зав. каф. д-р техн. наук, проф. В.В.Любимов;
• химии, зав. каф. канд. хим. наук, доц. В.А.Алферов;
• проектирования механизмов и деталей машин, д-р техн. наук, проф. П.Г.Сидоров.

С целью оптимизации структуры факультета и учитывая специфику специальностей кафедра проектирования механизмов и деталей машин была переведена с Естественнонаучного факультета в состав Технологического факультета , кафедра инженерной графики и дизайна — в состав Гуманитарного факультета (приказ от 22.04.98 г. № 289).Физико-технический факультет переименован в Естественнонаучный факультет в 1999 г. (приказ от 14.04.99 г. № 230).

Естественнонаучный институт. Образован в результате реорганизации Естественно-научного факультета 1 октября 2014 года.

На сегодняшний день в состав института входят кафедры:

• химии, зав. каф. кандидат  химических наук, доц. В.А.Алферов;
• физики, зав. каф. доктор технических наук, проф. Р.Н.Ростовцев;
• биотехнологии, зав. каф. доктор химических наук, доц. О.Н.Понаморева;
• биологии, зав. каф. доктор биологических наук, доц. Е.М. Волкова;
• начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графики, зав. каф. доктор технических наук, доц. Н.Н.Бородкин 
• теоретической механики,  зав. каф. доктор технических наук, проф. В.Д.Кухарь.