Организован в 2003 г. в результате объединения Научно-исследовательского химического института им. А.М.Бутлерова (НИХИ) и химического факультета Казанского университета.

НИХИ был учрежден в 1929 г. при физико-математическом факультете Казанского университета. В его структуру входили отделения органической химии, неорганической химии, физической химии, аналитической химии. В отделении органической химии исследования проводились по трем направлениям:

1) органические производные фосфора и мышьяка: учеными изучены таутомерия диалкиловых эфиров фосфористой кислоты и реакции их металлических производных (А.Е.Арбузов), получены лекарственные препараты, средства защиты растений (А.Е.Арбузов и Б.А.Арбузов), синтезированы и изучены эфиры арил- и диарилмышьяковистых кислот (Г.Х.Камай, В.М.Зороастрова) и др.;

2) исследования в области терпенов: определен состав скипидара, усовершенствована технология переработки его в камфору, проведены исследования по химии дельта-3-карена (Б.А.Арбузов) и т.д.;

3) синтез и изучение свойств ацеталей оксикетонов (В.В.Евлампиев).

В отделении неорганической химии изучались термохимия образования насыщенных солевых растворов, электропроводность растворов солей (А.Я.Богородский, Г.П.Дезидерьев).

Основными направлениями исследований отделения физической химии были разработка метода получения коллоидных растворов металлов, изучение кинетики электрохимического восстановления металлов фосфорноватистой кислотой (А.Ф.Герасимов, Г.С.Воздвиженский).

В отделении аналитической химии учеными (А.М.Васильев, Н.П.Смирнов и др.) исследовались реакции соосаждения, было введено понятие «произведение растворимости» для количественного анализа.

В годы Великой Отечественной войны (до 1944 г.) в здании НИХИ размещались эвакуированные из Москвы Институт органической химии и часть Радиевого института АН СССР. В соответствии с задачами военного времени были разработаны клеи для ремонта боевой техники, морозостойкая резина, присадки к авиационным маслам и гидравлическим жидкостям и пр. Изготавливались лекарственные препараты (сульфазол, стрептоцид, никотиновая кислота, сульфидин) для госпиталей.

Основной научной проблемой работы института в послевоенный период стало дальнейшее развитие теории строения органических соединений А.М.Бутлерова. Были синтезированы и изучены свойства циклических эфиров фосфористой кислоты (А.Е.Арбузов, Б.А.Арбузов). Открыты и детально исследованы реакции присоединения по карбонильной группе (реакция Абрамова) и 1,4-присоединения к непредельным альдегидам и кетонам (реакция Пудовика). Впервые получены фосфиновые эфиры с окисным кольцом (Б.А.Арбузов, Н.А.Полежаева, В.С.Виноградова).

В 1960-е гг. начались интенсивные работы в области терпенов. Были открыты изомерные превращения окисей α-пинена, камфена, 3-карена (Б.А.Арбузов, З.Г.Исаева). Б.А.Арбузовым начато изучение структуры органических соединений физическими методами. В отделе стереохимии исследована взаимосвязь реакционной способности соединений с их пространственным строением. В отделе химии высоких давлений изучены факторы, определяющие скорость и равновесие реакций циклоприсоединения. Выявлены оптимальные условия изменения скорости и равновесия обычных и катализируемых процессов, проводимых под высоким давлением; определены пределы давлений, при которых скорость начинает контролироваться диффузией (А.И.Коновалов, В.Д.Киселёв, Е.А.Кашаева, Г.Г.Исхакова). Проведены работы по внедрению на предприятиях Татарстана новых методов получения фурфурола (А.Е.Арбузов, Б.П.Луговкин), растительных масел (А.И.Луньяк), по изучению свойств чистопольских отбеливающих глин (А.Ф.Герасимов, Г.С.Воздвиженский), по применению отходов камфорного производства и канифольно-мыльных заводов (Б.А.Арбузов). В 1980-е гг. в НИХИ разработаны и защищены патентами реагенты для обезвоживания и обессоливания водонефтяных эмульсий с целью промысловой подготовки нефти; предложены вулканизатор изделий на основе фторкаучуков, эмульгаторы.

На химических кафедрах Казанского университета со дня их основания (XIX в.) проводятся научные исследования фундаментальных и прикладных направлений. В 1950-е гг. при кафедрах начали создаваться проблемные (впоследствии научно-исследовательские) лаборатории для проведения фундаментальных исследований по тематикам кафедр. В 1957 г. по инициативе Б.А.Арбузова при кафедре органической химии была создана научно-исследовательская лаборатория по изучению структуры органических соединений – один из ведущих центров по применению ЯМР-спектроскопии в России. С 1970 г. при кафедре неорганической химии работает научно-исследовательская лаборатория координационных соединений.

На 2019 г. в составе института 7 учебных кафедр (неорганической химии, аналитической химии, органической химии, физической химии, высокомолекулярных и элементоорганических соединений, химического образования, медицинской химии), 5 научных отделов и 6 лабораторий.

Институт готовит специалистов-химиков для работы в научных лабораториях высших учебных заведений, академических и отраслевых научно-исследовательских институтов, заводских лабораториях, школах, колледжах, гимназиях. В учебном процессе занято более 70 сотрудников, среди которых академик и 2 члена-корреспондента РАН, академик РАЕН, член-корреспондент АН РТ, 25 профессоров и докторов наук и 44 кандидата наук.

Химический институт поддерживает творческие связи с научными учреждениями РФ; работает аспирантура по 5 специальностям. При институте работает Музей Казанской химической школы. С 2007 г. выпускается газета Химического института «Хи.Жи.На».