学院始创于1970年3月，地点在原宁乡县城关镇宁乡师范院内，当时与物理专业合称理化连，1972年单独设立化学科，后更名为化学农技科。1977年学校由益阳地区师训班改名为湖南师范大学益阳分院，化学农技科更名为化学科，1980年学校迁至益阳市，1991年学校由正处级单位升格为副厅级单位，化学科更名为化学系。2002年湖南城市学院升格为本科，化学系更名为化学与环境工程系，2011年再次更名为化学与环境工程学院。随着学院材料专业的发展，学院于2016年更名为材料与化学工程学院。

1970年开办化学教育专科专业。1999年开办化学教育专业和辅修生物专科专业。2002年开办应用化学专科专业，2002年开办环境工程专科专业，后更名为环境监测与治理技术专科专业。2003年开办化学工程与工艺本科专业，2007年开办环境工程本科专业，2008年开办生物工程本科专业，2010年开办高分子材料与工程本科专业，2017年开办复合材料与工程本科专业，2024年开办生物质科学与工程专业。