Năm 1993, Hiệu trưởng Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội, GS. Đào Trọng Thi đã có 2 quyết định quan trọng: thành lập Bộ môn Địa môi trường thuộc Khoa Địa lý - Địa chất và Bộ môn Cao học môi trường trực thuộc Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội. Bộ môn Địa môi trường lúc đầu có 6 cán bộ là PGS.PTS. Phạm Ngọc Hồ (Chủ nhiệm bộ môn), PTS. Nguyễn Đình Hoè (Phó chủ nhiệm bộ môn) và 3 thành viên là PTS. Lưu Đức Hải, NCS. Hoàng Xuân Cơ, ThS. Trần Yêm và KS. Nguyễn Thị Phương Loan, sau này bổ sung thêm CN Lê Thị Lan Anh là cán bộ từ Trung tâm Khoáng chất công nghiệp. Bộ môn Cao học môi trường có GS. Mai Đình Yên làm Chủ nhiệm và 1 giáo vụ là CN. Đồng Kim Loan là cán bộ từ Trung tâm Khoáng chất công nghiệp. Trước khi thành lập Bộ môn Địa môi trường, Khoa Địa lý - Địa chất đã được Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội và Bộ Giáo dục Đào tạo cho phép tuyển sinh 1 lớp đại học mở rộng ngành môi trường (K36), khoảng 50 sinh viên và một nhóm khoảng 18 sinh viên chính quy (K37). Từ năm 1993, Bộ môn Địa môi trường tiếp tục được giao quản lý đào tạo một lớp sinh viên chính quy tập trung và một lớp chính quy không tập trung (K38). Sau khi Đại học Quốc gia Hà Nội và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ra đời, khoá sinh viên chính quy ngành khoa học môi trường từ K39 trở đi bắt đầu được được tính vào con số của Đại học Quốc gia Hà Nội.
Năm 1995, sau khi có kết quả của đợt khảo sát đào tạo ở Australia về khả năng đào tạo trình độ đại học ngành môi trường của một nhóm các nhà khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (trong đó có GS. Nguyễn Cẩn, PGS. Phạm Ngọc Hồ, GS. Mai Đình Yên, nnk.); ngày 21 tháng 10 năm 1995, GS.VS Nguyễn Văn Đạo, Giám đốc Đại học Quốc gia Hà Nội đã ký quyết định thành lập Khoa Môi trường trên cơ sở các bộ môn: Địa môi trường thuộc Khoa Địa lý - Địa chất, Thổ nhưỡng thuộc Khoa Sinh học và Cao học môi trường trực thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Danh sách nhóm cán bộ đầu tiên của Khoa Môi trường lúc bấy giờ gồm: PGS. Phạm Ngọc Hồ, PGS. Lê Văn Khoa, PGS. Trần Kông Tấu, PTS. Nguyễn Đình Hoè, PTS. Hoàng Xuân Cơ, PTS. Lưu Đức Hải, PTS. Trịnh Thị Thanh, PTS. Văn Huy Hải, PTS. Trần Khắc Hiệp, PTS. Lê Đức, PTS. Trần Cẩm Vân, ThS. Trần Yêm, KS. Nguyễn Thị Phương Loan, CN. Cái Văn Tranh, CN. Đồng Kim Loan, CN. Lê Thị Lan Anh, KTV. Nguyễn Thị Soảng, KTV. Cao Từ Hồng Minh.
Năm 1996, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tổ chức lấy phiếu tín nhiệm và ra quyết định bổ nhiệm lãnh đạo Khoa Môi trường. Theo đó, PGS. Phạm Ngọc Hồ được bổ nhiệm làm Chủ nhiệm Khoa, PGS. Trần Kông Tấu và PTS. Hoàng Xuân Cơ được cử làm Phó chủ nhiệm Khoa. PGS. Lê Văn Khoa làm Chủ nhiệm bộ môn Thổ nhưỡng, PTS. Nguyễn Đình Hoè làm Chủ nhiệm bộ môn Tài nguyên và Sinh thái môi trường, PTS. Trịnh Thị Thanh làm Chủ nhiệm bộ môn Mô hình hóa và Công nghệ môi trường, PTS. Lưu Đức Hải làm Chủ nhiệm bộ môn Quản lý môi trường. Trong những năm tiếp theo đến năm 2000, đội ngũ cán bộ Khoa được tiếp tục bổ sung từ các đơn vị khác trong Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và từ đội ngũ sinh viên tốt nghiệp của Khoa, như: GS. Nguyễn Cẩn; ThS. Nguyễn Xuân Cự; ThS. Nguyễn Kiều Băng Tâm; CN Đỗ Thị Mộc từ Trung tâm vi sinh; CN. Phạm Thị Mai, CN. Trần Thu Phương, KTV. Đặng Thị Minh Hà từ Trung tâm nấm; PGS. Lê Trọng Cúc, PGS. Lê Diên Dực, ThS. Vũ Quyết Thắng, CN. Lê Văn Lanh từ Trung tâm CRES; các sinh viên được giữ lại Khoa: Phạm Thị Việt Anh, Nguyễn Quốc Việt, Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Thị Hoàng Liên, Đàm Duy Ân.
Năm 1997 đến 2001, Khoa nhận được hỗ trợ của Dự án Nâng cao năng lực quản lý môi trường ở Việt Nam do Cộng đồng Châu Âu và Vương Quốc Bỉ tài trợ, trong đó tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tập trung vào đào tạo thạc sĩ Khoa học môi trường. Với sự tài trợ của dự án và sự quan tâm của Ban Giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên, trực tiếp là GS. Nguyễn Cẩn khi đó là Trưởng ban điều hành dự án, nhiều lượt cán bộ được cử đi trao đổi tại Bỉ về biên soạn giáo trình, học tập nâng cao. Trung tâm Tư liệu và Nghiên cứu môi trường được thành lập trên cơ sở sách và tài liệu giảng dạy do Vương Quốc Bỉ và Cộng đồng Flemish viện trợ. Các phòng làm việc của Khoa được chuyển từ nhà B Trường Đại học Khoa học Xã hội và Nhân văn và tầng 3 đầu nhà T1 về 3 tầng nhà T2. Môi trường làm việc và tổ chức hoạt động của Khoa được cải thiện và phát triển ổn định.
Nhiệm kỳ 2000-2004, PGS.TS. Phạm Ngọc Hồ được bầu làm Chủ nhiệm Khoa; TS. Trịnh Thị Thanh và TS. Lưu Đức Hải được cử làm Phó chủ nhiệm Khoa. Bộ môn Tài nguyên và Sinh thái môi trường đổi tên thành bộ môn Sinh thái môi trường do TS. Nguyễn Đình Hoè làm Chủ nhiệm và TS. Trần Cẩm Vân làm Phó chủ nhiệm, bộ môn Quản lý môi trường do TS. Hoàng Xuân Cơ làm Chủ nhiệm và ThS. Phạm Thị Việt Anh làm Phó chủ nhiệm, bộ môn Thổ nhưỡng đổi tên thành bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường đất do GS. Lê Văn Khoa làm Chủ nhiệm và TS. Lê Đức làm Phó chủ nhiệm; bộ môn Mô hình hoá và Công nghệ môi trường đổi tên thành Công nghệ Môi trường do TS. Trần Yêm làm Chủ nhiệm và TS. Nguyễn Thị Loan làm Phó chủ nhiệm. Năm 2001, Khoa trực tiếp nhận Dự án Tăng cường năng lực với kinh phí 21 tỷ đồng được Bộ Kế hoạch và Đầu tư phê duyệt. Năm 2003, Khoa đệ trình lên Trường kế hoạch thành lập Trung tâm Nghiên cứu quan trắc và mô hình hoá môi trường, GS. Phạm Ngọc Hồ được Trường cử kiêm nhiệm Giám đốc Trung tâm.
Giai đoạn 2004-2013, PGS.TS Lưu Đức Hải được bầu làm Chủ nhiệm Khoa, các Phó chủ nhiệm Khoa gồm có PGS.TS. Nguyễn Xuân Cự (đến 2009), PGS.TS. Nguyễn Thị Hà (đến 2009), PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải (từ 2009), PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải (từ 2009) và TS. Nguyễn Thị Hoàng Liên (2012-2013); bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường đất do PGS.TS. Lê Đức (đến 2007), PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải (2007-2009), PGS.TS. Nguyễn Xuân Cự (2009-2012) và TS. Nguyễn Ngọc Minh (từ 2012) làm chủ nhiệm; bộ môn Quản lý môi trường do PGS.TS. Nguyễn Đình Hoè (2004-2009), PGS.TS. Vũ Văn Mạnh (từ 2009) làm chủ nhiệm; bộ môn Sinh thái môi trường do PGS.TS Hoàng Xuân Cơ (2004-2010), PGS.TS. Trần Văn Thụy (từ 2010) làm chủ nhiệm; bộ môn Công nghệ môi trường do PGS.TS. Trần Yêm (đến 2008), TS. Nguyễn Mạnh Khải (2008-2010), PGS.TS. Nguyễn Thị Hà (từ 2010) làm chủ nhiệm; phòng thí nghiệm phân tích môi trường được thành lập năm 2010 do TS. Trần Văn Quy làm trưởng phòng. Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mô hình hoá môi trường do GS.TS. Phạm Ngọc Hồ làm giám đốc (đến 2010) và PGS.TS. Hoàng Xuân Cơ làm giám đốc (từ 2010). Trong giai đoạn này, nhiều cán bộ khoa đã trưởng thành được phong học hàm phó giáo sư như: PGS Vũ Quyết Thắng, PGS Nguyễn Xuân Cự, PGS.TS Trần Yêm, PGS Nguyễn Thị Loan, PGS Nguyễn Xuân Hải, PGS Nguyễn Thị Hà, PGS Lê Văn Thiện, PGS Đồng Kim Loan; nhiều cán bộ đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ Vũ Văn Mạnh, Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Kiều Băng Tâm, Nguyễn Thị Hoàng Liên, và đạt PGS: Nguyễn Mạnh Khải, Vũ Văn Mạnh; một số cán bộ chuyển từ cơ quan ngoài hoặc nước ngoài về hoặc được tuyển dụng như TS. Trần Văn Quy (PGS, 2012), TS. Lê Đức Minh và PGS.TS Trần Văn Thụy, TS. Hoàng Anh Lê (2012), TS. Đỗ Hữu Tuấn (2012). Năm 2005, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên chính thức giao cho Khoa tổ chức quản lý đào tạo chương trình đại học ngành Công nghệ môi trường. Năm 2009, Bộ Giáo dục và Đào tạo giao cho Trường và Khoa tổ chức liên kết đào tạo chương trình tiên tiến ngành Khoa học môi trường với Đại học Indiana, Hoa Kỳ.
Giai đoạn 2013-2018: PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải được bầu làm Chủ nhiệm Khoa và các Phó chủ nhiệm Khoa là PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải và PGS.TS. Lê Văn Thiện, Trưởng các đơn vị trong Khoa có sự thay đổi trong giai đoạn này gồm: TS. Hoàng Anh Lê làm trưởng Bộ môn quản lý môi trường (từ 2015), TS. Nguyễn Hữu Huấn làm trưởng Phòng thí nghiệm phân tích môi trường (từ 2017). Trưởng các đơn vị còn lại trong Khoa tiếp tục công việc như giai đoạn trước.
Giai đoạn 2018 – nay: PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải được bầu làm Trưởng Khoa, TS. Đỗ Hữu Tuấn (từ 2018) và TS. Phạm Thị Thúy (từ 2019) làm Phó trưởng Khoa. Phòng thí nghiệm Phân tích môi trường được đổi tên thành Phòng thí nghiệm Nghiên cứu môi trường. Bộ môn Môi trường và phát triển bền vững được thành lập và Trưởng bộ môn là TS. Trần Thiện Cường. Các thầy cô Trưởng các đơn vị khác trong Khoa tiếp tục lãnh đạo các đơn vị như cuối giai đoạn 2013-2018. Một số cán bộ đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ: Lương Thị Mai Ly, Nguyễn Xuân Huân; Bổ nhiệm chức danh GS: Nguyễn Xuân Cự, PGS: Hoàng Anh Lê. Các cán bộ được thuyên chuyển công tác về Khoa gồm TS. Vũ Đình Tuấn, TS. Đào Văn Hiền.