De geschiedenis van de Faculteit Wetenschappen loopt parallel met die van de Leuvense universiteit, met vier grote periodes:
1. De Oude Universiteit (1425-1797)
2. De Rijksuniversiteit (1817-1835)
3. De Katholieke Universiteit (1835-1968)
4. De autonome Nederlandstalige Katholieke Universiteit (vanaf 1968)
De Oude Universiteit (1425-1797)
In 1425 gaf Paus Martinus V de toelating tot de oprichting te Leuven van een studium generale met vier faculteiten: Artes, Kerkelijk Recht, Burgerlijk Recht en Geneeskunde. In 1432 werd daaraan een Faculteit Godgeleerdheid toegevoegd, waardoor het studium generale naar middeleeuwse begrippen een volwaardige universiteit werd. Van bij het begin was onderwijs in de wetenschappen een belangrijke component van de Leuvense universiteit: zowel in de Artes als in de medische faculteit werden de natuurwetenschappen bestudeerd.
De Artesfaculteit was de voorloper van de huidige Faculteiten Letteren en Wetenschappen. Studenten werden aanvankelijk opgeleid in de zeven ‘vrije kunsten’, onderverdeeld in trivium (grammatisch-literaire vorming) en quadrivium (wiskunde, muziek en astronomie). Dit onderwijs werd al snel omgevormd tot een drieledige opleiding in de logica, de fysica en de metafysica. Het magisterdiploma in de Artes gaf toegang tot de hogere faculteiten (Godgeleerdheid, Rechten en Geneeskunde).
In de beginperiode van de Oude Universiteit verbleven een aantal belangrijke wetenschappers in Leuven. Gemma Frisius was een wiskundige, kosmograaf en medicus met internationale faam. Frisius introduceerde topografische driehoeksmeting en legde daarmee een solide wiskundige basis in de cartografie. Gerard Mercator, de vader van de moderne aardrijkskunde, was een leerling van Frisius. Ook Rembert Dodoens en Carolus Clusius, grondleggers van de empirische botanica, studeerden in Leuven. Nog een andere pionier van de moderne geneeskunde, Andreas Vesalius, ontving zijn wetenschappelijke basisopleiding in Leuven.
Na de bloeiperiode van de 16de eeuw geraakte het natuurwetenschappelijke onderwijs in een crisis. Hoewel de faculteit al snel de wetenschappelijke vernieuwingen in haar programma opnam, bleef ze lang afwijzend t.o.v. de newtoniaanse fysica. Pas in de 18e eeuw werden de intussen verouderde structuren van de faculteit aangepast aan de wetenschappelijke standaarden van de Verlichting. Tegen 1780 was het onderwijs in Leuven opnieuw op peil en werd er zelfs origineel onderzoek verricht. Jan Pieter Minckelers ontdekte een brandbaar gas, gewonnen uit steenkool, dat hij gebruikte om zijn auditorium te verlichten. Maar de politieke situatie maakte een duurzame nieuwe bloei onmogelijk. Na de annexatie van de Zuidelijke Nederlanden bij Frankrijk werd de Oude Universiteit op 25 oktober 1797 afgeschaft.
De Rijksuniversiteit (1817-1835)
Na de val van Napoleon werden de Zuidelijke en de Noordelijke Nederlanden in één rijk verenigd. In het Zuiden werden in 1817 drie rijksuniversiteiten opgericht, waarin nog steeds het Latijn 
als voertaal werd gebruikt: in Leuven, Gent en Luik. Aan de Leuvense universiteit, die in totaal ongeveer 500 studenten telde, waren trivium en quadrivium voortaan ondergebracht in afzonderlijke faculteiten. De Faculteit Wetenschappen was vooral gericht op de voorbereiding tot geneeskundestudies. Hoewel de Rijksuniversiteit maar een korte tijd heeft bestaan, studeerden aan de Faculteit Wetenschappen toch enkele van de belangrijkste Belgische wetenschappers van die tijd: Jan Stas en Louis Melsens. Jean-Baptiste Van Mons gaf er les in de scheikunde.
Na de Belgische revolutie werd de Rijksuniversiteit Leuven door de wet van 27 september 1835 afgeschaft. Haar plaats werd dadelijk ingenomen door de Katholieke Universiteit, die het jaar voordien door de Belgische bisschoppen in Mechelen was opgericht.
De Katholieke Universiteit (1835-1968)
In de loop van de 19de eeuw verwerft de Faculteit Wetenschappen stilaan een nieuwe plaats in het universitaire onderwijs. Natuurwetenschappen zijn dan niet langer enkel een voorbereiding voor geneeskundestudies. In 1869 waren er zes graden van doctor te behalen: wiskunde, natuurkunde, scheikunde, geologie-mineralogie, plantkunde en dierkunde. In 1900 komt daar geografie bij en in 1919 de zuivere en toegepaste scheikundige wetenschappen.
De Speciale Scholen voor ingenieurs, in 1864 opgericht binnen de Faculteit op initiatief van een aantal katholieke industriëlen, kregen in 1961 het statuut van autonome faculteit. Ook het Instituut voor Agronomie, gesticht als onafhankelijk instituut in 1878, was vanaf 1892 verbonden aan de Faculteit Wetenschappen.
Origineel wetenschappelijk onderzoek wordt vanaf de 19de eeuw een expliciete taak van de universiteit. De paleontoloog en zoöloog Pierre-Joseph Van Beneden was een gedreven 
wetenschapper, die onder andere studies publiceerde over mariene biologie en parasitaire wormen. Van Beneden heeft ook aanzienlijk bijgedragen tot de uitbouw van het Museum voor Dierkunde De scheikundige Louis Henry opende in 1863 zijn laboratorium voor scheikunde, en onder zijn impuls werden practica en persoonlijk wetenschappelijk onderzoek een onderdeel van de opleiding. Henry deed zelf onderzoek in de organische chemie. Jean-Baptiste Carnoy richtte een laboratorium voor cytologie in en startte ook met een cursus praktische microscopie. Zijn opvolger Frans Alfons Janssens is de ontdekker van de crossing-over tijdens de meiose. De geoloog Charles-Louis de la Vallée-Poussin bestudeerde onder andere de geomorfologie van het Maasdal, zijn zoon Charles-Jean de La Vallée Poussin deed origineel onderzoek in de wiskunde, met name op het gebied van integraal- en differentiaalrekenen en priemgetallen. Zijn Cours d'Analyse Infinitésimale (oorspronkelijk gepubliceerd in 1903 en 1906) wordt nog steeds gebruikt; de laatste herdruk vond plaats in 2003. De la Vallée-Poussin was ook de promotor van één van de belangrijkste natuurwetenschappers van de Leuvense universiteit: de kosmoloog Georges Lemaître, grondlegger van de oerknaltheorie (op de foto met Albert Einstein).
De autonome Nederlandstalige Katholieke Universiteit (vanaf 1968)
Vanaf 1968 werd de Franstalige afdeling van de Leuvense universiteit naar Louvain-la-Neuve overgebracht. De Faculteit Wetenschappen verhuisde geleidelijk naar de nieuwe campus in Heverlee, waar ondertussen alle departementen gehuisvest zijn, met uitzondering van een gedeelte van het Departement Biologie. Vanaf de jaren 80 wordt het onderwijsaanbod uitgebreid met een opleiding informatica, eerst een wetenschappelijke en vanaf 1992 een wettelijke graad.
Aan de Faculteit Wetenschappen studeren momenteel ongeveer 2.400 studenten in één van de acht bacheloropleidingen en de twaalf nederlandstalige en negen Engelstalige masteropleidingen. Daarnaast werkt de faculteit ook mee aan tien masteropleidingen die worden georganiseerd in samenwerking met andere faculteiten.
Met dank aan de professoren G. Vanpaemel en E. Lamberts