Імператорський університет Святого Володимира було засновано у Києві в листопаді 1833 року, а 28 серпня наступного року в його стінах розпочали заняття 62 перших студенти. Тоді університет містився у приватних приміщеннях на Печерську й складався лише з одного факультету – філософського. Цей факультет мав два відділення – історико-філологічне та фізико-математичне, при якому було створено кафедру фізики та фізичної географії. Отже, історія фізичної географії у Київському університеті бере свій початок від самих перших днів його існування.
Як самостійна, кафедра фізичної географії була організована у 1891 р. за ініціативи визначного фізико-географа проф. П.І. Броунова – автора першого у Російській імперії підручника з фізичної географії. Кафедра тоді розміщувалась у головному, «червоному», корпусі університету. До часу затвердження радянської влади в Україні з кафедрою пов’язана діяльність таких видатних науковців, як П.А. Тутковський, Б.Л. Лічков, Й.Й. Косогонов та ін. Після руйнівних для усієї освіти ліквідацій і реорганізацій університетів 1920-1930-х років, повноцінна діяльність кафедри фізичної географії Київського університету відновилась 1933 року у складі геолого-географічного факультету. Її провідним науковцем і завідувачем був проф. І.К. Половко – один із засновників сучасної метеорологічної науки в Україні.
Після повернення Київського університету з евакуації до Києва, у ньому 1944 року був створений географічний факультет й з того часу і дотепер кафедра лишається у його складі. У післявоєнні роки на ній працювали відомі географи М.І. Глібко, Б.Ф. Добринін, П.С. Погребняк, В.П. Попов. Кафедра тоді знаходилась у «жовтому» корпусі університету. Новий етап в історії кафедри розпочався з 1956 р., коли її очолив чл.-кор. НАН України, професор О.М. Маринич. Під його керівництвом співробітники кафедри розробили схему фізико-географічного районування України, розпочали картографування її ландшафтів, була заснована ґрунтознавча експедиція, що проводила дослідження в Україні, Сибіру, Казахстані. Наступник і учень О.М. Маринича, професор П.Г. Шищенко завідував кафедрою з 1971 по 1995 рр. За його ініціативи були розгорнуті прикладні ландшафтознавчі дослідження з обґрунтування проектів містобудівництва, рекреаційних зон, меліоративних систем, природоохоронних територій.
Свою сучасну назву кафедра отримала 1995 року – кафедра фізичної географії та геоекології. Така модернізація засвідчила зміну пріоритетів у навчально-науковій роботі кафедри, а саме – посилення природоохоронного та відновлювального складника у вивченні просторових систем, широке залучення для цього геоінформаційних технологій, математичного моделювання, міжнародного співробітництва у науковій, науково-практичній та освітній сферах. Фундатором таких змін був завідувач кафедри (1995 - 2022 рр.) М.Д. Гродзинський – видатний український ландшафтний еколог, член-кореспондент НАН України, доктор географічних наук, професор, голова Асоціації ландшафтної екології України (IALE-Ukraine), член Національного комітету України з Програми ЮНЕСКО "Людина і біосфера". М.Д. Гродзинський, як один з авторів концепції поліструктурності ландшафтів, обґрунтував теоретичні підвалини множинності форм стійкості геосистем і методику кількісного оцінювання такої стійкості та визначення геоекологічно безпечних норм антропогенних навантажень на ландшафти. Він істотно посилив міжнародне визнання та зв'язки кафедри, зокрема проводячи дослідження та викладаючи у провідних університетах Європи, США та Республіки Корея.
За час існування кафедра підготувала близько 3000 фахівців.
Навчальний корпус Інституту геології (вул. Васильківська, 90), де з 1970 по 2005 рр. розміщувався географічний факультет.
Сучасна будівля (з 2005 р.) географічного факультету КНУ, проспект Глушкова 2-A.