Диффузионные исследования проводились в ИФМ с самого начала его образования в 1932 году. В группе диффузионных исследований, возглавляемой В.С. Бугаковым, впервые в мире были измерены коэффициенты самодиффузии свинца с использованием радиоактивных изотопов. Отдел изучения диффузии во главе с кандидатом физико-математических наук Виктором Соломоновичем Бугаковым был создан в соответствии с приказом по Уральскому физико-техническому институту от 1 января 1934 года. В 1936 году в связи с окончательным переездом института в Свердловск была сформирована структура института, в том числе образована лаборатория диффузии во главе с В.С. Бугаковым. Бугаковым с сотрудниками были выполнены пионерские исследования взаимной диффузии в металлах, изучено влияние размера зерна на протекание диффузионных процессов, исследована анизотропия диффузии и т.п. В 1937 году в лаборатории начинает работать В.И. Архаров (впоследствии академик НАН Украины), который в 1941 году становится во главе лаборатории. В годы Великой отечественной войны В.И. Архаров использовал на Уралмашзаводе идею о возможности управления свойствами конструкционных материалов путем их диффузионного легирования малыми количествами примесей, сегрегирующих на границах зерен поликристаллических материалов. Это направление на долгие годы стало важнейшим направлением лаборатории диффузии. Научные интересы В.И. Архарова были весьма широки. Им с сотрудниками были выполнены работы по исследованию реакционной диффузии, взаимодействия металлов с газами, химико-термической обработке, внутрикристаллитной диффузии и внутренней адсорбции и др.

В 1964 году постановлением ученого совета ИФМ в составе лаборатории диффузии была создана группа радиоактивных индикаторов во главе с С.М. Клоцманом. В 1969 году лаборатория излучений была объединена с группой радиоактивных индикаторов и переименована в лабораторию диффузии. Так была вторично создана лаборатория диффузии. Заведующим лабораторий был назначен доктор физико-математических наук С.М. Клоцман. В 1987 году на базе лаборатории диффузии был создан отдел диффузионных явлений (зав. отделом С.М. Клоцман) в составе лабораторий диффузии (заведующий С.М. Клоцман), лаборатории пленок и покрытий (заведующий И.Ш. Трахтенберг), лаборатории радиационных дефектов (заведующий В.Л. Арбузов), лаборатории электронной спектроскопии (заведующий О.В. Соколов). В 2000 году лаборатория диффузии включается в состав отдела физики металлических наноструктур, руководимого академиком РАН В.В. Устиновым. В 2001 году руководителем лаборатории становится профессор, доктор технических наук В.В. Попов. В лаборатории начинают проводиться работы по компьютерному моделированию диффузии и диффузионных фазовых превращений, синтезу и исследованию нанокристаллических материалов.