В 1954 году по инициативе И.В. Курчатова Советское правительство приняло постановление о создании ядерных центров в ряде республик СССР и строительству на их базе исследовательских ядерных реакторов (типа ВВР-С), ускорителей и лабораторий.
В рамках этой программы в 1956 году Ленинградский физико-технологический институт создал филиал в Гатчине для строительства нейтронного исследовательского реактора, который был запущен в 1959 году и получил название ВВР-М.
В 1970 году был введён в строй протонный синхроциклотрон на энергию 1 ГэВ. Сочетание на одной площадке двух основных ядерных инструментов позволило проводить уникальные научные исследования.
На базе синхроциклотрона ПИЯФ разработан и внедрен в практику метод стереотаксической протонной терапии, который положил начало развитию ядерно-пучковой терапии головного мозга. С 1975 года курс протонной терапии ежегодно проходят сотни пациентов.
В 1971 году филиал ФТИ был преобразован в самостоятельный институт и получил имя академика Б.П. Константинова, сыгравшего определяющую роль в его развитии.
Среди выполненных в ПИЯФ прикладных разработок можно выделить создание комплекса голографических измерительных систем субмикронной и субсекундной точности.
На базе полупроводниковых детекторов в ПИЯФ разработан ряд малогабаритных аналитических приборов, позволяющих легко определять микроскопическое содержание веществ в образцах.
В 2009 году ПИЯФ присоединился к проекту по созданию Национального исследовательского центра "Курчатовский институт".