Năm 2010, thầy Nguyễn Văn Minh đảm nhiệm cương vị Chủ nhiệm/Trưởng khoa; từ năm 2012 đến hết năm học 2021–2022, thầy Lục Huy Hoàng làm Trưởng khoa. Đây là giai đoạn Khoa Vật lí chuyển từ quá trình hiện đại hóa sang yêu cầu hội nhập sâu hơn về đào tạo, nghiên cứu, bảo đảm chất lượng và kết nối với giáo dục phổ thông.
Đào tạo đại học tiếp tục là sứ mạng trung tâm. Bên cạnh chương trình Sư phạm Vật lí và lớp chất lượng cao, từ năm 2014 Khoa triển khai chương trình Cử nhân Sư phạm Vật lí giảng dạy bằng tiếng Anh. Chương trình này tạo điều kiện để sinh viên tăng năng lực ngoại ngữ chuyên môn, tiếp cận học liệu quốc tế và chuẩn bị cho môi trường giáo dục song ngữ, quốc tế.
Đào tạo sau đại học được duy trì ở các lĩnh vực Vật lí lí thuyết và Vật lí toán, Vật lí chất rắn, Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí. Các seminar, nhóm nghiên cứu và công bố quốc tế tăng lên; sinh viên được khuyến khích tham gia nghiên cứu khoa học từ sớm. Nhiều hướng nghiên cứu phát triển đồng thời: vật liệu nano và vật liệu chức năng; quang học và bán dẫn; Vật lí lí thuyết và năng lượng cao; mô phỏng; Vật lí môi trường và thiên văn; phương pháp dạy học, STEM và công nghệ số trong giáo dục.
Khoa đồng thời tiếp tục vai trò kết nối với giáo dục phổ thông. Các khóa bồi dưỡng giáo viên chuyên Vật lí toàn quốc trong các năm 2011, 2012 và 2013 là một hoạt động tiêu biểu. Nhiều giảng viên tham gia xây dựng chương trình, sách giáo khoa, tài liệu hướng dẫn và các nhiệm vụ phục vụ đổi mới giáo dục phổ thông.
Công tác bồi dưỡng đội tuyển Olympic Vật lí châu Á và quốc tế tiếp tục được duy trì, với sự tham gia của nhiều cán bộ thuộc các nhóm lí thuyết, đại cương, chất rắn – điện tử và thực nghiệm. Hoạt động này vừa là nhiệm vụ quốc gia, vừa tạo một môi trường học thuật đặc biệt, thúc đẩy năng lực giải bài toán khó và xây dựng thí nghiệm ở chuẩn cao.
Năm 2019, Khoa hoàn thành một đợt đổi mới chương trình đào tạo. Quá trình rà soát chuẩn đầu ra, cấu trúc học phần, phương pháp dạy học và đánh giá đã tạo nền cho việc kiểm định chất lượng chương trình Sư phạm Vật lí ở giai đoạn sau.
Đến năm 2021, Khoa kỷ niệm 70 năm xây dựng và phát triển trong bối cảnh nhiều hoạt động giáo dục chịu ảnh hưởng của dịch COVID-19. Việc tổ chức dạy học, sinh hoạt học thuật và hoạt động sinh viên trên môi trường trực tuyến cho thấy khả năng thích ứng của Khoa với những thay đổi nhanh của bối cảnh xã hội và công nghệ.
Giai đoạn 2010–2022 khép lại với một nền tảng tương đối toàn diện: chương trình đào tạo đa dạng hơn, nghiên cứu mở rộng, hợp tác quốc tế sâu hơn, liên hệ với giáo dục phổ thông bền chặt và hệ thống bảo đảm chất lượng được chú trọng. Đây là tiền đề trực tiếp cho bước chuyển sang định hướng bán dẫn và công nghệ cao từ sau năm 2022.
