Quyết định số 201/1999/QĐ-TTg ngày 12/10/1999 về việc tách Trường Đại học Sư phạm Hà Nội khỏi Đại học Quốc gia Hà Nội.
Sau Quyết định 201/1999/QĐ-TTg, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội bước vào giai đoạn phát triển với tư cách một trường đại học sư phạm trọng điểm. Đối với Khoa Vật lí, đây là thời kỳ chuyển mạnh từ mô hình chủ yếu dựa vào các bộ môn truyền thống sang kết hợp đào tạo sư phạm với những hướng nghiên cứu chuyên sâu và liên ngành.
Các phòng thí nghiệm được đầu tư theo từng hướng: Vật lí chất rắn và điện tử; quang học vật rắn; công nghệ chế tạo vật liệu; đo tính chất quang – điện; Vật lí môi trường; thiết bị và thí nghiệm dạy học; tính toán mô phỏng. Nhiều thiết bị mới thay thế dần thế hệ máy móc cồng kềnh của Liên Xô và Đông Âu, tạo điều kiện cho học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên tham gia nghiên cứu thực nghiệm.
Đội ngũ cán bộ trẻ được đào tạo ở nước ngoài trở về đóng góp vào các hướng nghiên cứu mới. Các bộ môn mở rộng hợp tác với các trường đại học và viện nghiên cứu ở Hàn Quốc, Bỉ, Pháp, Đức, Nhật Bản, Ba Lan, Hoa Kỳ và nhiều nước khác. Công bố quốc tế và các đề tài khoa học ngày càng trở thành một bộ phận quan trọng trong hoạt động chuyên môn.
Một dấu mốc đáng chú ý là Trung tâm Khoa học và Công nghệ Nano được thành lập ngày 09/03/2007. Trung tâm hướng tới nghiên cứu liên ngành về vật liệu nano, cấu trúc và thiết bị nano, đồng thời tạo không gian hợp tác giữa Vật lí, Hóa học, khoa học vật liệu và các lĩnh vực liên quan. Các hệ thiết bị như PLD, AFM và các thiết bị phân tích – công nghệ khác góp phần nâng năng lực nghiên cứu của Khoa và Nhà trường.
Trong lĩnh vực đào tạo và bồi dưỡng tài năng, từ giữa những năm 2000 Khoa được giao tham gia bồi dưỡng và dẫn các đội tuyển Việt Nam dự Olympic Vật lí châu Á và Olympic Vật lí quốc tế. Nhiệm vụ này đòi hỏi sự kết hợp giữa chiều sâu lí thuyết, năng lực thực nghiệm, khả năng giải quyết vấn đề và tổ chức huấn luyện theo chuẩn quốc tế.
Qua nhiều năm, Khoa dần hình thành đội ngũ chuyên gia bồi dưỡng học sinh giỏi cùng hệ thống bài giảng, thí nghiệm và quy trình huấn luyện có tính kế thừa.
Trong chặng 1999–2010, các thầy Nguyễn Văn Nhã, Đỗ Hữu Nha và Phạm Xuân Quế lần lượt đảm nhiệm cương vị lãnh đạo Khoa. Đến năm 2010, thầy Nguyễn Văn Minh tiếp nhận cương vị Chủ nhiệm/Trưởng khoa, mở đầu giai đoạn tiếp theo.
Giai đoạn 1999–2010 là thời kỳ Khoa Vật lí mở rộng rõ rệt sứ mạng: vẫn giữ nền tảng đào tạo giáo viên, đồng thời phát triển nghiên cứu hiện đại, đào tạo sau đại học, trung tâm liên ngành và bồi dưỡng tài năng Vật lí quốc gia.
