Negli anni della direzione di Orso Mario Corbino, dal 1918, le ricerche si orientarono verso lo studio dell'elettrotecnica, dell'elettronica dei metalli, della spettroscopia. Ma ancora nella seconda metà degli anni Venti, la ricerca sperimentale lasciava a desiderare e l'intervento di Corbino fu  a tal proposito determinante.
Fu infatti Corbino a far istituire a Roma, nel 1926, la prima cattedra di Fisica teorica in Italia, e a chiamarvi Enrico Fermi, a far trasferire Franco Rasetti a Roma da Firenze come aiuto assistente nello stesso anno e a chiamarlo nel 1930 sulla cattedra di Spettroscopia.

Intorno a Fermi si costituirà, come è noto, il gruppo dei "ragazzi di via Panisperna", formato da F. Rasetti, E. Segrè, E. Amaldi, B. Pontecorvo, che daranno contributi fondamentali  alla fisica nucleare.
Fu ancora Corbino a spingere perché le ricerche si indirizzassero verso nuovi settori di indagine, come testimonia il suo discorso alla SIPS, del 1929, su "I nuovi compiti della fisica sperimentale".
Sempre a Corbino si deve, infine, la scelta di inviare i giovani studiosi ad apprendere  la 'nuova' fisica e le nuove tecniche sperimentali all'estero, grazie a una oculata politica delle borse di studio.

Un quadro della situazione dell'Istituto Fisico negli anni della direzione di Corbino, ci viene offerto dal giovane  Edoardo Amaldi nel resoconto che Nicola Spano fece in "L'Università di Roma" (1935), un volume che documenta le attività della Sapienza in occasione dell'inaugurazione della nuova sede nella Città degli Studi:
 

"Nel campo dell'elettrologia, oltre all'acquisto di vari strumenti per misure di precisione, fu completata la installazione delle batterie di accumulatori (150 volta ), con relativo gruppo convertitore per la carica, e furono installate potenti macchine elettrostatiche, due grandi elettrocalamite Weiss, apparecchi per la produzione di onde persistenti di alta frequenza, e infine, per cura del prof. Lo Surdo, una batteria di piccoli accumulatori capace di fornire 20 mila volta, nonché un impianto per corrente continua a 200 kV della potenza di 10 kW.
Furono poi ampiamente completate le collezioni di strumenti di ottica e spettroscopia. Così l'Istituto fu attrezzato in modo completo e moderno per la spettroscopia, particolarmente nell'ultravioletto. Negli ultimi anni è stato anche eseguito l'impianto per la produzione dell'aria liquida.
Inoltre, l'Ufficio del Radio della Direzione di sanità attualmente ospitato nell'Istituto, può mettere a disposizione dei ricercatori il suo ricco materiale per esperienze di radioattività e la emanazione che si estrae regolarmente da circa un grammo di radio-elemento.
L'Istituto fisico ha anche un laboratorio di chimica radioattiva, fortissimi preparati di polonio, di radio torio, ecc., nonché un impianto di camere di Wilson e sta completando una moderna attrezzatura per ricerche sulla radioattività.
L'Istituto possiede, infine, varie macchine per la produzione del vuoto, fino alle pompe a diffusione più recenti."

Alla stessa data, il corpo docente dell'Istituto Fisico era così composto: Corbino, direttore e professore di Fisica sperimentale; Antonino Lo Surdo, Fisica superiore; Enrico Fermi, Fisica teorica; Franco Rasetti, Spettroscopia; Emilio Segrè, aiuto del direttore, con assistenti Nella Mortara, Edoardo Amaldi, Giancarlo Wick; primo assistente incaricato, Bruno Pontecorvo.

Nell'Istituto, a capo dell'Ufficio del Radio facente capo al Ministero dell'Interno, vi era Giulio Cesare Trabacchi che dirigerà il Laboratorio di Fisica dell'Istituto di Sanità dal 1923 al 1958. L'Uffico, istituito nel 1923 e denominato dal 1925 Laboratorio fisico, venne ospitato a via Panisperna nel Regio Istituto Fisico fino al 1935.

Appena un anno prima, nel 1934, Fermi con Amaldi, Rasetti, Segrè e il chimico Oscar D'Agostino avevano scoperto la radioattività artificiale provocata da bombardamento di neutroni. E nell'ottobre del 1934, Fermi e collaboratori, ai quali si era unito Bruno Pontecorvo appena laureato, avevano scoperto un altro importante fenomeno che aprirà la via allo studio delle proprietà dei neutroni lenti: l'effetto delle sostanze idrogenate, come la paraffina, nell'aumentare l'intensità della radioattività provocata dai neutroni.

Nel 1937 l'Istituto di Fisica venne trasferito nella sua attuale sede, alla Città degli Studi. Le ricerche di Fermi e collaboratori proseguiranno ma per breve tempo. Nello stesso anno Corbino moriva e alla direzione gli succedette Lo Surdo. Anche a causa delle leggi razziali che colpirono sua moglie, Fermi lascerà l'Italia nel 1938, subito dopo il conferimento del premio Nobel. Emilio Segrè, che nel 1935 aveva vinto la cattedra di Fisica sperimentale a Palermo, abbandonerà il paese nello stesso anno. Pontecorvo, che si trovava a Parigi, non rientrerà in Italia. Rasetti partirà nel 1939.
Dopo il trasferimento dell'Istituto alla Città Universitaria, la strumentazione non impiegata nella ricerca fu alloggiata in alcune stanze del piano seminterrato, non senza perdite gravi dovute alla eliminazione di materiali per esigenze di spazio e alla "cannibalizzazione" di parti di strumenti, particolarmente negli anni di guerra, in un periodo in cui la povertà di mezzi non poteva certo alimentare la sensibilità verso i 'beni culturali scientifici'.

Già l'11 aprile  1927, era avvenuta per esempio la cessione alla Croce Rossa di materiale fuori uso, come ci informa una lettera di Corbino al Rettore della Regia Università di Roma:
"Informo la S.V. Ill.ma che in questo Istituto di Fisica esiste del vecchio materiale, residui di macchine, apparecchi e mobili fuori uso, che non ha alcun valore commerciale, anche perché le parti metalliche  utilizzabili si sono adoperate per la riparazione e la costruzione di altri apparecchi  o per montaggio di esperienze scientifiche".

    Nel 1978, in occasione del settantesimo compleanno di Edoardi Amaldi, ciò che di quella strumentazione si era salvato,  per iniziativa di R. Cialdea fu recuperato ed esposto in due sale del nuovo edificio del Dipartimento di Fisica che costituisce l'attuale sede del museo. Della strumentazione esistente presso il Teatro Fisico o l'antico Gabinetto di Fisica della Sapienza ben poco è rimasto.

    L'impianto del Museo è quindi stato conservato dal Direttore Prof. Giovanni Battimelli, che si è avvalso della preziosa collaborazione della Prof.ssa Maria Grazia Ianniello. Dal 2014 al 2019 la direzione del Museo è stata assunta dal Prof. Giovanni Organtini.

Attuale direttore del Museo di Fisica è il prof. Sergio Caprara.