Создан в 1960 году в Пензе в качестве филиала НИИ-88 (впоследствии — ЦНИИмаш). С момента основания специализируется на разработке и производстве датчиков физических величин для ракетно-космической техники. В 1978 году преобразован в самостоятельный НИИ физических измерений. В 1998 году получил статус государственного унитарного предприятия. В том же году был определен головным предприятием Российского космического агентства в области датчиковой и преобразующей аппаратуры в ракетно-космических комплексах. В 2009 году НИИФИ преобразован в акционерное общество. В том же году вошел в состав АО «Российские космические системы».
НИИФИ реализует ряд проектов в рамках Федеральной космической программы России на 2016–2025 годы, разрабатывает и поставляет приборы для МКС и «Морского старта». Результаты научно-технической деятельности НИИФИ защищены 1,4 тыс. охранных документов. Среди них 426 патентов на изобретения, промышленные образцы и полезные модели, 178 свидетельств о регистрации топологий интегральных микросхем, программ для ЭВМ и баз данных, 61 ноу-хау. Согласно последнему доступному годовому отчету, выручка института за 2017 год составила 1,35 млрд руб., чистая прибыль — 96,4 млн руб. Чистые активы на 31 декабря 2017 года составляли 1,44 млрд руб.