Sau khi miền Bắc được giải phóng, Nhà trường trở về Hà Nội, đặt cơ sở tại khu 19 Lê Thánh Tông. Đây là giai đoạn chuyển từ mô hình đào tạo trong kháng chiến sang xây dựng một cơ sở đại học chính quy, trong đó Vật lí là một trong những lĩnh vực khoa học cơ bản có vai trò quan trọng đối với nhiệm vụ đào tạo giáo viên.
Ngày 04/06/1956, Chính phủ quyết định tổ chức hệ thống các trường đại học mới, trong đó có Trường Đại học Sư phạm và Trường Đại học Tổng hợp. Trong những năm đầu, đội ngũ Toán – Lí và Vật lí của hai trường còn phối hợp giảng dạy tại khu 19 Lê Thánh Tông, phản ánh mối quan hệ lịch sử rất gần gũi giữa đào tạo khoa học cơ bản và đào tạo sư phạm.
Đội ngũ Vật lí được bổ sung nhanh bằng nhiều nguồn. Các sinh viên xuất sắc của các khóa đầu được giữ lại làm cán bộ giảng dạy; giáo viên giỏi từ trường phổ thông và cán bộ từ các cơ sở đào tạo khác được điều động về; một số cán bộ được cử đi học tập, thực tập tại các nước xã hội chủ nghĩa. Những tên tuổi của các khóa đầu như Nguyễn Văn Hiệu, Phạm Quý Tư, Vũ Thanh Khiết, Phạm Duy Hiển, Nguyễn Thúc Huy, Vũ Quang, Võ Văn Thu… về sau có nhiều đóng góp cho khoa học và giáo dục.
Năm học 1958–1959, Trường Đại học Sư phạm chuyển về Dịch Vọng, Từ Liêm, Hà Nội. Trong Khoa Toán – Lí, Phân khoa Lí được hình thành. Thầy Hoàng Quý là Trưởng Phân khoa đầu tiên; khi thầy đi thực tập tại Liên Xô, thầy Vũ Trường Dự được cử phụ trách; từ năm 1960, thầy Dương Trọng Bái đảm nhiệm cương vị Trưởng Phân khoa.
Đến đầu thập niên 1960, Phân khoa Vật lí có khoảng 30 cán bộ giảng dạy. Cơ cấu chuyên môn từng bước rõ nét với các tổ Cơ – Nhiệt, Điện – Quang và Toán. Năm 1962, Tổ Phương pháp giảng dạy được thành lập, cho thấy từ rất sớm đơn vị đã đồng thời chú trọng hai nền tảng: tri thức Vật lí và khoa học dạy học Vật lí.
Cơ sở vật chất cũng bắt đầu được xây dựng có hệ thống. Khu nhà A bốn tầng được khởi công; các phòng thí nghiệm Cơ – Nhiệt, Điện – Quang và Giáo học pháp từng bước được lắp đặt. Thực hành và thí nghiệm từ đây trở thành một phần ngày càng quan trọng của chương trình đào tạo giáo viên.
Sinh viên Khoa Vật lí làm thực hành quang học, năm 1960. Nguồn: 60 năm Trường Đại học Sư phạm Hà Nội qua ảnh.
Giai đoạn 1954–1962 là chặng chuyển tiếp có ý nghĩa quyết định: từ các ban liên ngành của thời kháng chiến đến một Phân khoa Vật lí có đội ngũ, tổ chuyên môn, phòng thí nghiệm và bộ máy lãnh đạo tương đối hoàn chỉnh, sẵn sàng cho bước phát triển thành Khoa Vật lí độc lập từ năm học 1963–1964.
