10 октября 1932 года в институте впервые в СССР расщепили ядро атома. Расщепление ядра атома лития провели Антон Вальтер, Георгий Латышев, Александр Лейпунский и Кирилл Синельников. В дальнейшем в УФТИ получили жидкий водород и жидкий гелий, построили первую радиолокационная установку. Институт также является первопроходцем советской высоковакуумной техники, развившейся в промышленную вакуумную металлургию.

В 1935 году в институте прошла выездная сессия Академии наук СССР, где академиком Сергеем Вавиловым было высказано мнение о том, что ученые института делают более четверти всей физики в СССР.

Во второй половине XX века институт активно занимается ядерной энергетикой СССР, внедряет в промышленность новые технологии и оборудование.

Постепенно на базе института был образован ряд крупных научных учреждений: Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина Национальной академии наук Украины, Институт радиофизики и электроники им А. Я. Усикова НАНУ (первоначально, Институт радиоэлектроники) и прочие. В Харьковском политехническом институте, по инициативе ХФТИ, был создан первый в Украине физико-механический факультет. Также в Харьковском государственном университете был создан физико-технический факультет.

В 1993 году по указу институту был присвоен статус Национального научного центра (ННЦ ХФТИ). Это был первый ННЦ в Украине.

В 2004 году при создании Отделения ядерной физики и энергетики Национальной академии наук Украины, ННЦ «Харьковский физико-технический институт» вошел в его состав. Также ХФТИ стал головной организацией для выполнения Государственной программы исследований по ядерным и радиационным технологиям.

В национальном научном центре функционируют различные экспериментальные установки. Есть семейство термоядерных установок «Ураган», электронные и ионные ускорители, в том числе, крупнейший на территории бывшего СССР линейный ускоритель электронов.