Отдел физики атомного ядра (ОФАЯ) является одним из наиболее крупных подразделений НИИЯФ МГУ. Образован ОФАЯ после ряда структурных преобразований Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР), созданной в 1946 году и руководимой профессором С.С. Васильевым до 1973 года. После до 1979 года ЛЯР возглавлял профессор В.С. Николаев. В 1979 году была изменена структура НИИЯФ МГУ: основными подразделениями института стали отделы, и, среди них, был образован ОФАЯ, руководителем которого стал профессор Анатолий Филиппович Тулинов. В 1991 году ОФАЯ (и ОЯКИ) возглавлял профессор Игорь Борисович Теплов. С 1991 года по 2003 год ОФАЯ заведовал кандидат физико-математических наук Григорий Аркадьевич Иферов, а с 2003 года и по настоящее время ОФАЯ руководит доктор физико-математических наук, профессор Николай Гаврилович Чеченин.

В рамках основных направлений научной деятельности ОФАЯ ее сотрудниками проводятся следующие работы:
1. По теме «Взаимодействие составных частиц и методы симметрии в ядерной и субъядерной физике» разрабатывается метод пакетной дискретизации континуума, позволяющего решать задачи рассеяния в системе нескольких тел на основе матричных уравнений в представлении стационарных волновых пакетов без использования суперкомпьютеров. Рассмотрены вопросы влияния атомных оболочек на постоянную α-распада тяжелых и средних ядер. Разрабатываются подходы на основе суперсимметрий для описания ядерных свойств и пространственно-временных характеристик. Исследуется кварковая и адронная структуры легчайших нуклонных резонансов и выполняется работа над релятивистским обобщением кварковой оболочечной модели в рамках релятивистской гамильтоновой динамики.
2. По теме «Взаимодействие ионов с веществом» экспериментально и теоретически исследуются эффекты перезарядки, зарядовые и энергетические распределения ионов, находящихся как в основном, так и метастабильном состояниях, в газообразной среде и при отражении от поверхности металлов, а также пробеги и потери энергии этих ионов. Проводится компьютерное моделирование процессов взаимодействия атомных частиц с кристаллическими и неупорядоченными средами с учетом влияния поверхностной сегрегации и наноразмерного рельефа поверхности. Исследуются эффекты воздействия ионов на поверхность перспективных материалов, эффекты распыления материалов, сегрегации элементов, развития структуры рельефа поверхности при больших ионных флуенсах. Исследуются различные эффекты, сопровождающие взаимодействие плазмы с материалами термоядерного реактора. Развиваются новые ионно-пучковые методы диагностики и управляемой модификации свойств перспективных материалов. Разрабатываются ионно-пучковые методы создания радиационно-стойких элементов микроэлектроники. Разрабатываются методы прогнозирования радиационных сбоев бортовой электроники космических аппаратов. Разрабатываются методы создания и ускорения кластерных ионов. Разрабатываются методы направленного локального ионно-пучкового воздействия на биологические объекты.
3. Развиваются ядерно-физические методы в исследованиях окружающей среды и живых систем.
4. Разрабатываются ядерно-физические методы создания и исследования физических свойств наноструктур. Разрабатываются методы синтеза и исследуются свойства многослойных магнитных наноструктур спинтроники, наноуглеродных структур и нанокомпозитов на их основе.

Сотрудники ОФАЯ активно участвуют в крупных зарубежных проектах:
- “Европейский лазер на свободных электронах” (European XFEL GmbH), Германия. Теоретическое исследование многофотонных двуцветных (ренген+инфракрасный) процессов на атомах;
- кварковые степени свободы в малонуклонных системах (совместно с Институтом теоретической физики, Университет Тюбингена, Германия);
- теоретическое исследование легких ядер в модели оболочек, построение нового реалистического нуклон-нуклонного взаимодействия (совместно с Университетом штата Айова (Iowa State University), г. Эймс, США).

В решении актуальных фундаментальных и прикладных задач ОФАЯ тесно сотрудничает с рядом исследовательских центров и университетов, среди них:
- Университет штата Айова (Iowa State University), г. Эймс, США;
- Центр “Европейский лазер на свободных электронах” (European XFEL GmbH), Германия;
- Институт теоретической физики, Университет Тюбингена, Германия;
- Университет Гронингена, Отделение Науки Материалов Зернике Института Перспективных Материалов Нидерланды;
- Университет Вроцлава, Институт теоретической физики, Польша;
- Институт ядерных наук «Винча» Белградского университета, Белград, Сербия;
- Университет Доманхура, Египет;
- California Institute of Technology, США;
- ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный технологический университет имени К.Э.Циолковского» в рамках НОЦ «Технологии и исследования наноматериалов аэрокосмической техники»;
- ОАО «НИИграфит», г. Москва;
- ННГУ имени Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород.