ІТТФ НАН України створено в 1947 р. на базі Інституту енергетики АН УРСР під початковою назвою "Інститут теплоенергетики". Після реорганізації (1964) його переіменовано в Інститут технічної теплофізики.
    Інститут теплоенергетики проводив дослідження з удосконалення теплових двигунів, інтенсифікації процесів теплообміну в різних технічних пристроях, а також з енерготехнологічного використання українських бурих вуглів. В подальшому в Інституті було започатковано також роботи за новими науковими напрямками - високофорсований теплообмін, тепломасоперенос, гірнича теплофізика, теплометрія, тепловий захист високотемпературних пристроїв.
    На сьогодні Інститут технічної теплофізики НАН України - провідний в Україні центр у галузі тепломасообміну, теплоенергетики та енергоощадних теплотехнологій. Роботи Інституту спрямовані на дослідження теплофізичних процесів, розвиток теорії теплопереносу, вимірювання теплових величин та на вирішення проблем підвищення енергоефективності при виробленні, транспортуванні та споживанні теплової енергії, комплексної модернізації об’єктів комунальної теплоенергетики шляхом розробки і реалізації регіональних програм, залучення до паливно-енергетичного потенціалу відновлювальних джерел енергії і місцевих видів палива.
    У різні роки науковий колектив Інституту очолювали визначні вчені: академік АН УРСР І.Т.Швець, професор Г.М. Щоголєв, академік АН УРСР В.І. Толубинський, професор Г.Л. Бабуха, член-кореспондент АН України О.А. Геращенко. З 1982 року впродовж останніх 28 років Інститутом технічної теплофізики успішно керує відомий учений в галузі тепломасопереносу, Лауреат трьох Державних премій України в галузі науки та техніки, доктор технічних наук, професор, академік Національної академії наук України А.А. Долінський. 
    У структурі Інституту існує 14 наукових відділів, Дослідно-конструкторське технологічне бюро з інтенсифікації тепломасообмінних технологічних процесів, Дослідно-конструкторське бюро з експериментальним виробництвом теплофізичного приладобудування, Дослідне виробництво, Інженерний центр «Сушка» та Експериментальний механічний завод тепломасообмінних апаратів. На базі Інституту постановою Верховної ради України створено «Технологічний парк «Інститут технічної теплофізики НАН України», президентом якого є академік НАН України А.А Долінський.
    На цей час в Інституті працює 483 співробітники, з них  1 - академік НАН України, 7 - члени-кореспонденти НАН України, 22 - доктори і 77 - кандидати наук. За роки існування Інституту сформувався ряд наукових шкіл і напрямів, які відіграли найважливішу роль у галузі теплоенергетики та енергоощадних теплотехнологій. Засновниками найвідоміших наукових шкіл є академіки І.Т. Швець, О.Н. Щербань, В.І. Толубинський, О.О. Кремньов, А.А. Долінський, Є.П. Дибан.
    Багато праць учених Інституту отримали високу оцінку, їх відзначено двома Державними преміями СРСР, десятьма Державними преміями України, міжнародною премією ім. О.В. Ликова, премією Президентів України, Білорусі, Молдови, десятьма преміями ім. Г.Ф.Проскури Національної академії наук України, чотирма преміями ім. В.І. Толубинського. Більше 110 розробок Інституту відзначені дипломами і медалями вітчизняних та зарубіжних виставок. Високий рівень праць Інституту захищають 1800 українських і зарубіжних авторських свідоцтв та патентів на винаходи.
    З 1979 року Інститутом видається науково-технічний журнал «Промислова теплотехніка», який з 1996 року одержав статус Міжнародного. Англійська версія журналу тривалий час видавалася в США видавничим домом «Begell hоuse, inc., Publishers». Основні результати робіт учених Інституту відображено у 120 монографіях, опубліковано у різних тематичних збірниках, статтях  провідних українських та зарубіжних журналів.
На базі Інституту функціонують: Національний комітет з тепломасообміну, Комітет країн СНД з проблем сушіння, Секція «Енергозбереження та екологія в паливно-енергетичному комплексі» Науково-технічної ради Мінпаливенерго України, Наукова рада з проблеми «Теплотехнологія». ІТТФ НАН України бере активну участь у розробці та реалізації Державних науково-технічних програм.
    В Інституті функціонують дві Спеціалізовані ради із захисту докторських та кандидатських дисертацій за шістьома спеціальностями. Співробітниками Інституту захищено 44 докторські та 206 кандидатських дисертації.
    В ІТТФ НАН України постійно діє виставка розробок інституту «Енерго- та ресурсозбереження», з експозицією якої знайомляться фахівці різних галузей господарства, студенти і викладачі вузів та технікумів, відповідальні працівники міністерств і відомств, депутати Верховної Ради України, зарубіжні гості та делегації.
    Фахівці Інституту є членами та експертами ряду комітетів і науково-технічних рад при міністерствах, відомствах та державних адміністраціях в питаннях виробництва, транспортування та споживання енергії. Двом відомим вченим Інституту присвоєно звання Почесний енергетик України.
    В Інституті приділяється значна увага менеджменту, маркетингу, інноваційній діяльності. Він є постійним учасником і організатором міжнародних наукових, науково-практичних конференцій та «круглих столів», комерційних спеціалізованих виставок, зокрема спільно з Торговельно-промисловою палатою України. Разом з установами інших країн створено спільні науково-технічні Центри. Вони діють  в США, Китаї, В'єтнамі, Ірані. Інститут веде пошук нових перспективних форм роботи з іноземними партнерами із залученням інвестицій для ефективного впровадження у виробництво високотехнологічних розробок.
    Інститут виступає з пропозиціями до ряду міністерств щодо реалізації спільних інноваційних проектів з різнопрофільними інститутами Академії наук та виробничими підприємствами, ініціює створення і трансфер об'єктів нової техніки та технологій для виробництва в Україні конкурентоздатної продукції.
    Колектив Інституту продуктивно працює над виконанням Державних науково-технічних програм з пріоритетних напрямів розвитку науки та техніки, зокрема з розробки Концепції Державної цільової програми модернізації комунальної теплоенергетики України, регіональних програм модернізації систем теплопостачання, творчо вирішує окремі завдання відповідно до Указів Президента України, Кабінету Міністрів та Постанов Верховної Ради України.
    Значну увагу в Інституті надають підготовці майбутньої зміни. В інституті проходять практику студенти технічних Вузів, а кращі з них залишаються працювати в інституті. Молоді вчені мають нагоду не тільки брати участь в міжнародних наукових конференціях, але і стажуватися за кордоном: у Росії, Польщі, Німеччині, Великобританії, США. Більше 50 молодих учених заохочуються спеціальними преміями Інституту і адресними стипендіями імені видатних учених - засновників наукових шкіл, які присуджуються за творчі досягнення та успішну наукову роботу з розвитку нових фундаментальних напрямів Інституту. Чотири молодих співробітника удостоєні стипендій Президента України та стипендій Кабінету Міністрів України.