本院創立於1956年，原稱文理學院，設中國文學、數學、物理等三學系。1959年，增設化學系；1968年，增設地球科學系。1969年，文理學院奉准分設文學院、理學院，本院遂正式成立。物理系分別於1971、1988成立物理研究所碩、博士班；數學系分別於1980、1993年成立應用數學研究所碩、博士班；化學系分別於1984、1992年成立化學研究所碩、博士班；地球科學系也分別於1990、1996年成立地球科學研究所碩、博士班。本院曾於1982年，增設生物學系以完備基礎學科的教學與研究，鑑於生物科技的日益重要，於1998年設立生物科技研究所；因應環境及生態對國家社會的衝擊，本院領先各校於2003年增設生物多樣性研究所。2004年生物學系更名為生命科學系，並與生物科技研究所及生物多樣性研究所納入本校新成立的生物科學與科技學院。配合國家光電科技的發展，於2002年增設光電科學與工程研究所，並於2011年與電機資訊學院的光電工程學系合併，改名為光電科學與工程學系，歸屬於理學院。為將衛星影像及通訊技術運用於地球科學研究，曾於2007年成立衛星資訊暨地球環境研究所，後來因組織精簡於2010年併入地球科學系碩士班。2008年成立太空天文與電漿科學研究所(碩士班)，並自2013年8月1日起更名為太空與電漿科學研究所，同時增設博士班。因此目前理學院共計有數學系、物理學系、化學系、地球科學系、光電科學與工程學系等五學系以及太空與電漿科學研究所 (含碩、博士班)。 在協助本校各相關學院提供基礎自然科學課程，包括微積分、普通物理、普通化學的授課以外，本院以「窮理致知」為特色，是兼具基礎研究、跨域發展以及產學合作能力的學院。重視各理學領域基礎科目教學，訓練學生畢業後，除繼續攻讀理學院研究所之外，也可往各個應用相關領域繼續深造。研究領域寬廣，除了基礎科學的研究之外，也和工學院、生命學院、醫學院、電資學院及研究中心都建立跨領域合作關係，並重視產學合作，拓展學生畢業後的出路。理學院的教學目標是培養兼具人文素養、創新能力、跨領域學習，國際宏觀、社會關懷與卓越領導的自然科學專業人才。