Năm học 1963–1964, Khoa Vật lí trở thành đơn vị độc lập. Chỉ ít năm sau, chiến tranh phá hoại buộc thầy trò sơ tán, nhưng đào tạo, thí nghiệm và nghiên cứu vẫn được duy trì; từ đây hình thành nhiều hướng chuyên môn và truyền thống tự lực đặc sắc của Khoa.
Năm học 1963–1964 đánh dấu bước ngoặt lớn: Khoa Toán và Khoa Vật lí được thành lập từ các phân khoa thuộc Khoa Toán – Lí. Thầy Dương Trọng Bái trở thành Chủ nhiệm Khoa Vật lí đầu tiên; thầy Hồ Trọng Mai được cử làm Phó Chủ nhiệm. Từ đây Khoa Vật lí có vị thế của một đơn vị đào tạo độc lập, có tổ chức, đội ngũ và định hướng chuyên môn riêng.
Đội ngũ của Khoa tăng nhanh, từ các sinh viên ưu tú được giữ lại, các cán bộ được đào tạo ở nước ngoài và giáo viên, kỹ sư chuyển từ các cơ sở khác về. Đến giữa thập niên 1960, Khoa có khoảng 45 cán bộ. Bên cạnh các tổ Cơ – Nhiệt, Điện – Quang, Toán và Giáo học pháp, Khoa xây dựng thêm phòng thí nghiệm Vô tuyến điện, Vật lí quang phổ, xưởng cơ khí và trạm quan sát vệ tinh. Hoạt động nghiên cứu khoa học và cải tiến thí nghiệm bắt đầu có quy mô rõ rệt.
Năm 1965, thầy Dương Trọng Bái cùng một số cán bộ được điều động tham gia xây dựng Trường Đại học Sư phạm Việt Bắc. Thầy Hồ Trọng Mai được giao quyền Chủ nhiệm Khoa. Sự điều động này phản ánh một đặc điểm nổi bật của Khoa trong nhiều thập niên: vừa xây dựng lực lượng của mình, vừa cung cấp cán bộ nòng cốt cho các cơ sở giáo dục đại học khác.
Ngày 14/08/1967, Hội đồng Chính phủ ban hành Quyết định số 128/CP chia Trường Đại học Sư phạm Hà Nội thành ba trường. Khoa Vật lí thuộc Trường Đại học Sư phạm Hà Nội II, cùng các khoa khoa học tự nhiên. Từ năm 1967, Khoa chuyển sang đào tạo giáo viên Vật lí hệ bốn năm, một bước phát triển quan trọng về quy mô và chiều sâu chương trình.
Chiến tranh phá hoại miền Bắc đặt Khoa trước thử thách chưa từng có. Lớp học, phòng thí nghiệm, thiết bị và tài liệu phải chuyển tới các điểm sơ tán ở Ứng Hòa, Hoài Đức và những địa điểm khác. Trong điều kiện thiếu thốn, các thầy cô, kỹ thuật viên và sinh viên vừa bảo quản thiết bị, vừa tự chế dụng cụ, vừa tổ chức học và thí nghiệm. Tư liệu kỷ yếu 55 năm còn ghi riêng năm 1972 Khoa đã tiễn hơn 200 sinh viên và cán bộ lên đường ra mặt trận.
Dù chiến tranh, Khoa không thu hẹp mà tiếp tục mở rộng chuyên môn. Năm 1970, Bộ môn Vật lí chất rắn và Bộ môn Vô tuyến được hình thành; các phòng thí nghiệm tương ứng dần được xây dựng. Nhiều cán bộ trẻ được bổ sung trong giai đoạn 1970–1975, tạo lực lượng cho việc mở rộng đào tạo sau khi đất nước thống nhất.
Cuối năm 1974, thầy Hồ Trọng Mai được điều động về Bộ rồi tăng cường cho giáo dục miền Nam; thầy Vũ Thanh Khiết được cử làm Chủ nhiệm Khoa. Sự chuyển giao này mở ra giai đoạn mới sau thống nhất. Nhìn lại 1963–1975, giá trị nổi bật nhất không chỉ là Khoa đã trở thành một đơn vị độc lập mà còn là bản lĩnh duy trì đào tạo và nghiên cứu trong chiến tranh. Tinh thần “học và làm thí nghiệm trong mọi hoàn cảnh”, khả năng tự thiết kế thiết bị và trách nhiệm chi viện cán bộ cho các cơ sở giáo dục khác trở thành những nét truyền thống bền vững của Khoa Vật lí.
Lễ tiễn cán bộ, sinh viên trường ĐHSP Hà Nội lên đường đi chiến đấu năm 1972 (Nguồn: 60 năm ĐHSP Hà Nội qua ảnh)