Το Πρόγραμμα Διδακτορικών Σπουδών του Τμήματος Φυσικής λειτουργεί από τα τέλη της δεκαετίας του 80 με πρότυπο τα αντίστοιχα προγράμματα του εξωτερικού. Ειδικότερα, είχε καθιερωθεί κύκλος μεταπτυχιακών μαθημάτων δύο εξαμήνων και γραπτές Εισαγωγικές Εξετάσεις. Τη δεκαετία του 90 το Πρόγραμμα τροποποιήθηκε ώστε να συνδεθεί και να αποτελεί συνέχεια των αντίστοιχων Προγραμμάτων Μεταπτυχιακών Σπουδών. Με εφαρμογή του νόμου 4957/2022, το πρόγραμμα λειτουργεί με βάση τον Κανονισμό Διδακτορικών Σπουδών του Τμήματος (ΦΕΚ 4111/B/2025).