应用物理系(简称“物理系”)是学院最早成立的教学科研系所，源于中南矿冶学院（中南大学前身）建校初期成立的基础物理教研室。现有教师24名，其中教授14人（含二级教授5人），副教授7人，博士生导师10人；国家四青人才1人，教育部新世纪优秀人才1人，湖南省杰青3人，100%具有博士学位，90%具有海外留学经历。近年从国内外引进了多位高层次人才，聘请包括院士、国家杰青在内的名誉/兼职教授3人。形成了一支师德高尚、业务精湛、结构合理、充满活力的教师队伍。

物理系主要负责应用物理学本科专业和物理学专业研究生人才培养。1985年应用物理学专业开始招生，2012年开展拔尖人才培养，开设物理科学班。响应教育部拔尖人才培养要求，2019年开办应用物理拔尖实验班，并获批湖南省“物理拔尖学生培养基地”；2020年入选教育部“强基计划”，同年应用物理学专业获批国家一流本科专业建设点；2021年获批教育部基础学科拔尖学生培养计划2.0基地。

物理系依托学院一流教学平台，人才培养质量高。坚持“价值塑造、知识传授、能力培养、智慧启迪”人才培养理念，注重培养物理基础扎实、人文素养深厚、具有创新创业意识和国际交流能力的理科创新人才。本系主要承担“物理拔尖(强基)班”、“物理科学班”、“应用物理班”本科专业教学与建设和“大学物理”、“近代物理实验”、“大学物理实验”等本科基础物理教学，现有国家精品课程、国家级精品资源共享课3门，国家级一流本科课程2门，省级一流本科课程5门，校级“金课”5门。目前，在校本科生约200人，硕士研究生约150人（境外硕士26人），博士研究生约100人（境外博士30人）。近年来本系教师获国家级教学竞赛二等奖1项，地区级/省级教学竞赛奖多项；本科生获国家级、省级大学生创新创业项目40余项，获湖南省大学生物理竞赛奖20余项，本科生就业率达96%；研究生获湖南省优秀博士学位论文3篇、硕士学位论文6篇，就业率达100%。

物理系主要负责物理学科建设。学科起步晚，但发展迅速，发展态势好。物理学科在1988年、2005年分别获凝聚态物理硕士、博士学位授予权，2010年获物理学一级学科博士学位授予权，2011年物理学成为湖南省重点学科，2014年获批物理学博士后科研流动站，2018年入选湖南省双一流建设培育学科。物理学科在2012年第三轮全国学科评估中位列第25名，2016年第四轮全国学科评估中为B等级，2020年物理学科排名进入ESI全球前1%，2021年物理学博士、硕士学位点国际评估为优秀。

物理系坚持特色发展，争创一流科研业绩。面向物理学基础问题，结合学校材料学、医学等理工交叉学科优势，开展前沿性、基础性和原创性研究。近3年来在Nature, Physical Review Letters, Nature Communications, Advanced Materials 等学术期刊上发表高水平论文300余篇，共承担国家自然科学基金重点项目、面上项目、国家重点研发计划（课题）、湖南省杰出青年基金、湖南省重点科技计划项目、校企合作重点项目等国家级、省部级及各类横向科研项目100余项，累积研究经费3000余万。目前，物理系形成了低维物理与器件、微纳光子学、量子物理与量子调控、计算物理和理论物理等优势与特色研究方向。