Первый в мире специализированный Институт теплофизики организован в Новосибирске среди первых институтов Сибирского отделения Академии наук СССР на основании постановления Президиума Академии наук СССР от 7 июня 1957 года № 448. Возглавил институт академик И.И. Новиков - признанный специалист в области технической термодинамики и теплофизических свойств веществ.
С 1964 по 1986 гг. институтом руководил выдающийся ученый-теплофизик, академик С.С. Кутателадзе, внесший значительный вклад в такие направления теплофизики и теплоэнергетики как гидродинамическая теория кризисов кипения, теория подобия процессов теплообмена при физико-химических превращениях, предельные относительные законы трения и теплообмена в турбулентных пограничных слоях, исследование теплоотдачи и гидродинамики жидких металлов. В 1994 г. Институту теплофизики присвоено имя С.С. Кутателадзе.
Академик В.Е. Накоряков, директор Института с 1986 по 1997 гг., развил ряд новых научных направлений, среди которых волновая динамика двухфазных сред, процессы тепломассопереноса в пористых средах, гидродинамика газожидкостных потоков, абсорбционные термотрансформаторы, электродиффузионный метод диагностики потоков.
В декабре 1991 г. в связи с созданием Российской академии наук (РАН) Институт вошел в состав Сибирского отделения РАН.
С 1997 по 2017 гг. институтом руководил академик С.В. Алексеенко. За этот период значительное развитие получили исследования в области теплофизических основ создания нового поколения энергетических и энергосберегающих технологий и установок, теплофизических свойств веществ, динамики разреженных газов и плазмы. Созданы современные приборы и методики для оптической диагностики процессов в однофазных и многофазных средах.
По распоряжению Правительства РФ от 30.12.2013 № 2591-р Институт передан в ведение Федерального агентства научных организаций (ФАНО России).
С 2017 г. Институтом руководит академик РАН Д.М. Маркович. Развиваются методы управления турбулентной структурой и интенсивностью тепломассопереноса с практическим применением при проектировании и оптимизации широкого класса аппаратов в энергетике и авиационном двигателестроении. Развиваются научные основы, разрабатываются диагностические комплексы на основе панорамных оптических методов (PIV и др.) для исследования процессов в теплофизике, энергетике и машиностроении. Аппаратура, выпускается серийно, успешно эксплуатируется в ряде научных, образовательных и производственных организаций.
По распоряжению Правительства РФ от 27.06.2018 № 1293-р Институт передан в ведение Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Минобрнауки России).