W styczniu 2004 roku decyzją ówczesnego dyrektora Instytutu Fizyki profesora Jacka Kossuta powołano w Instytucie nową jednostkę naukową, Zespół Fizyki Biologicznej. Był to piąty Zespół w Laboratorium RTG i Mikroskopii Elektronowej (SL1.5) kierowanym przez prof. Krystynę Jabłońską. Kierownikiem Zespołu został prof. Marek Cieplak. Inicjatywa utworzenia Zespołu wyszła dużo wcześniej, wcześniej od Marka Cieplaka i Andrzeja Sienkiewicza, którzy opublikowali pierwsze powiązane z biologią prace w 1995 r.: Sienkiewicz w J. Am. Chem. Soc. na temat badań ENDOR-u w antybiotyku glikopeptydowym: bleomycynie, a Cieplak w Proc. Natl. Acad. Sci. USA o modelu sieciowym protein, który powstał na skutek wcześniejszych badań nad szkłami spinowymi. Nowy zespół zaczął funkcjonować od 16 lutego 2004 roku w składzie: dwóch założycieli i dr Anna Niedźwiecka, która wówczas dołączyła do Instytutu z Zakładu Biofizyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego. Pozostałymi członkami zespołu byli profesor nadzwyczajny Ewa Sobczak, dr Tomasz Kobiela i Joanna Kwiecińska (obecnie Sułkowska) – w tym okresie doktorantka.

Głównym zadaniem nowo utworzonego Zespołu było stworzenie funkcjonującego laboratorium. Stało się to w lutym 2006 roku w pomieszczeniach tzw. Hali C, gdzie ok. 100 m² powierzchni dawnego magazynu zostało przebudowane na nowoczesne klimatyzowane laboratorium. Autorem projektu laboratorium była Anna Niedźwiecka. Pierwszą aparaturą badawczą Zespołu był spektrofluorymetr (Fluorolog). Środki finansowe na wyposażenie nowego laboratorium pochodziły z Ministerstwa Nauki i Informatyzacji. Późniejsze dofinansowanie pochodziło z europejskiego programu "Wzrost Konkurencyjności Przedsiębiorstw" przyznanego profesorowi Leszkowi Sirko. Dalsza rozbudowa laboratorium nastąpiła latem 2008 roku i była finansowana przez Fundację Nauki Polskiej.

W styczniu 2010 roku Zespół przekształcił się w niezależną jednostkę badawczą o nazwie Laboratorium Fizyki Biologicznej SL4. Funkcjonowanie Laboratorium zostało wsparte finansowo z grantu Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na projekt NanoFun - krajowe konsorcjum kierowane przez Annę Niedźwiecką. Przestrzeń laboratoryjna rozszerzyła się w marcu 2012, powiększyło się też wyposażenie, które obecnie obejmuje: mikroskop sił atomowych (Agilent), spektrometr (Varian), wanny Langmuira-Blodget (NIMA), aparat do elektroforezy żelowej (BioRad), dwa spektrofluorymetry (Jobin Yvon HORIBA i Varian), dwa mikroskopy konfokalne firmy Zeiss, system PicoQuant do spektroskopii czasowo-rozdzielczej (jak FRET i Flim), system do chromatografii HPLC/FPLC, urządzenia do badań luminescencji, dwa klastry komputerowe i urządzenia pomocnicze. Laboratorium brało już udział w kilku europejskich konsorcjach badawczych, a obecnie uczestniczy w dwóch kolejnych projektach na szczeblu europejskim, na przykład w projekcie FiberFuel.

W międzyczasie niektórzy ludzie odeszli (Sienkiewicz w 2006 roku do École Polytechnique Federale w Lozannie) lub przeszli na emeryturę (Sobczak, w tym samym czasie), dołączyli też nowi pracownicy. Dr Michał Wojciechowski, teoretyk, przyszedł w 2006 roku z Uniwersytetu Warszawskiego. Profesor Danek Elbaum dołączył w 2007 roku, po kilku latach spędzonych w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. Nenckiego w Warszawie i około 30 latach w USA (Columbia, Fordham, Albert Einstein College of Medicine, NIH). Dr Joanna Grzyb, biolog, przyszła w 2008 roku wnosząc wiele grantów, które zmieniły wygląd laboratorium. Dr Grzyb studiowała na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie i odbyła staż naukowy w Instytucie Weizmanna w Izraelu. Dr Remigiusz Worch przyszedł w 2011 roku (Uniwersytet Warszawski i Politechnika w Dreźnie) i dr Bartosz Różycki w 2012 r. (Uniwersytet Warszawski, Instytut Maxa Plancka w Poczdamie i NIH). Kilku absolwentów uzyskało stopnie doktora: Joanna Sułkowska (2007, z wyróżnieniem), Szymon Niewieczerzał (2009), Mateusz Sikora (2012, z wyróżnieniem) oraz Anna Baranowska-Korczyc (2013).

Pracownicy Laboratorium zorganizowali cztery międzynarodowe konferencje z udziałem prawie 150 osób w każdej: Structure and Function of Biomolecules I (2004), II (2006), Biomolecules and Nanostructures (2011) – wszystkie w Będlewie - oraz Biomolecules and Nanostructures 4 (2013) w Pułtusku. Prowadzone badania, zarówno eksperymentalne jak i teoretyczne, mają charakter interdyscyplinarny. Aktualnie dotyczą molekularnego rozumienia procesu translacji w komórkach, białek aktywnych w reakcji redoks, biosensorów, nanocząstek upkonwertujących jako narzędzi obrazowania, membran biologicznych, modelowania dużych zmian konformacyjnych w białkach i ich kompleksach, takich jak kapsydy wirusów, białek na powierzchni ciała stałego, oraz kilku innych zagadnień.