Современная газовая динамика может успешно развиваться лишь при условии ясного понимания физико-химических процессов, происходящих в движущемся газе. Это понимание основывается на изучении частиц среды (атомов, молекул, ионов, электронов и т.д.) и взаимодействия этих частиц, т.е. процессов возбуждения, распада, ионизации, химических реакций. Учет этих процессов важен для решения задач авиационной и космической техники, химической и лазерной технологии, проблем плазмохимии, аэрономии, экологии. Именно исследованию таких процессов, происходящих в потоке реального высокотемпературного газа, и моделей, описывающих эти процессы на разных уровнях описания (квантово-механическое, многотемпературное и др.), посвящена работа коллектива лаборатории - теоретиков и экспериментаторов - с момента её создания.

Инициатором создания лаборатории в 1962 году был академик Г.И.Петров, а основу ее коллектива составили физики. В первые годы существования лаборатории были созданы установки для исследования высокотемпературного газа - ударные трубы с внутренним диаметром от 5 до 50 см и установка «молекулярный пучок» для исследования потенциалов взаимодействия сталкивающихся атомов и молекул. В создании этих установок, проводившемся под руководством главного инженера Института Н.Ф.Дрожжина, принимала участие как конструкторская группа Института, возглавлявшаяся И.И.Слезингером, так и многие сотрудники лаборатории - В.В. Вахромеев, Л.С. Каменецкий, Б.И.Постников, Л.Б.Ибрагимова, Н.П.Новиков, Ю.Н.Беляев, В.А.Павлов, Г.Д.Смехов, И.Е.Забелинский, М.С.Яловик, О.П.Шаталов и др. во главе со Сталием Анндреевичем Лосевым.

Для исследования физико-химических процессов в газах на ударных трубах лаборатории используются методы, позволяющие следить за эволюцией среды и состоянием молекул газа за фронтом сильных ударных волн. Наиболее результативным при этом является использование спектроскопической методики, в частности, эмиссионного и абсорбционного анализа, позволяющих получать информацию о состоянии газа в широком диапазоне спектра (от вакуумного ультрафиолета до инфракрасной области), а также метода нелинейной лазерной спектроскопии (КАРС). Использование современного электронного оборудования, многоканальных спектроанализаторов, компьютерная регистрация и автоматизированная обработка результатов эксперимента позволяют повысить точность измерений, намного ускорить их обработку и значительно увеличить объём снимаемой информации.

Экспериментальные исследования на ударных трубах лаборатории в разные годы проводили или проводят сейчас С.А.Лосев, Н.П.Новиков, Г.Д.Смехов, О.П.Шаталов, Л.Б.Ибрагимова, А.Б.Британ, Ю.В.Романенко, П.В.Козлов, В.А.Павлов, И.Е.Забелинский. Многие годы проработал в лаборатории А.М.Хазен. Большой цикл исследований по определению потенциалов взаимодействия сталкивающихся атомов и молекул на установке «молекулярный пучок» был выполнен Ю.Н.Беляевым.
На ударных трубах лаборатории были получены данные о скоростях диссоциации молекул газа (O2, N2, СО2, CN) при высоких температурах, измерены времена возбуждения их колебательных и электронных степеней свободы, получены данные о скоростях ряда химических реакций в горячем газе, измерены распределения колебательных температур молекул в процессе термически неравновесной диссоциации, исследованы спектральные характеристики газов во фронте и за фронтом ударных волн. Исследования ударных волн были дополнены изучением процессов в быстро охлаждающемся газе в соплах, установленных в торце ударной трубы (процессы рекомбинации, дезактивации). Продолжают развиваться исследования по изучению кинетических процессов в сильных ударных волнах, моделирующих атмосферы планет (Марс, Венера, Земля).

На ударных трубах регулярно выполняются задачи студенческого практикума, соответствующие основной тематике работы лаборатории, что даёт студентам возможность познакомиться с современным уровнем экспериментальных исследований физико-химических процессов в газовой динамике.

Инженерная поддержка экспериментальных исследований осуществлялась Ю.В.Акимовым и Л.С.Каменецким.
Интерпретация и обработка экспериментальных результатов, полученных в сложных высокотемпературных газовых смесях, была бы невозможна без физиков-теоретиков, математиков и газодинамиков, сразу же привлеченных к работе лаборатории. В.Н. Макаров много занимался вопросами оптимизации характеристик газовых потоков с целью планирования экспериментов и для анализа процессов в газодинамических лазерах. Е.Г.Колесниченко разработал методику построения кинетических уравнений для многоатомных и химически реагирующих газов, а также общий метод вывода газодинамических моделей из кинетических уравнений. Им рассмотрены проблемы методологии математического моделирования и описания структуры естественно-научного знания в связи с созданием в лаборатории информационной системы АВОГАДРО. М.Ю.Погосбекяном создан вычислительный комплекс для расчетов скоростей физико-химических процессов, основанный на методе прямого численного моделирования с использованием данных о потенциалах взаимодействия частиц. В работах Г.Я.Герасимова рассматриваются проблемы экологии, в частности, им предложены модели генерации и уничтожения вредных выбросов при сжигании топлив.
Работа лаборатории протекает в тесном контакте с другими сотрудниками Института и с коллегами с физического, химического, механико-математического факультетов МГУ.

В конце 70-х годов решение прикладных задач газодинамики потребовало большого количества сведений о вероятностях и константах скоростей процессов, происходящих в газе и плазме. По этим вопросам обращались многие специалисты из различных организаций, поэтому в лаборатории была начата систематическая работа по сбору таких данных, их экспертному анализу и созданию информационной системы в области современной неравновесной газовой динамики. Эта информационная система объединяет модели физико-химических процессов в газе с разным уровнем описания этих процессов, и соответствующие этому уровню описания базы кинетические коэффициенты. Объем накопленных данных к настоящему времени составляет около 2000 процессов для 200 веществ. К наполнению банка, подготовке данных и их экспертному анализу были привлечены специалисты из ведущих университетов и академических институтов страны. В создании системы принимало участие также больше половины сотрудников лаборатории. Соответствующее информационно-программное обеспечение взяли на себя Э.А. Ковач и А.Л. Сергиевская. В рамках лаборатории был создан Центр АВОГАДРО, основной задачей которого являлась создание и поддержка информационного фонда, содержащего базы данных по свойствам частиц и по характеристикам процессов энергообмена при столкновениях молекул, а также базу моделей и комплекс инструментальных средств, обеспечивающий построение кинетических уравнений и выбор оптимального набора процессов в задачах газовой динамики. Результатом деятельности Центра является создание многотомного компьютеризированного справочного издания «Физико-химические процессы в газовой динамике» под редакцией Г.Г.Черного и С.А.Лосева, первые два тома которого уже вышли из печати.

Исследования, проводящиеся в лаборатории, регулярно поддерживаются различными российскими и международными грантами, такими, как гранты РФФИ, Сороса, ИНТАС и др., что позволяет существенно укрепить финансирование лаборатории и улучшить её материальную базу.
Результаты работ сотрудников лаборатории опубликованы в многочисленных статьях, докладывались на Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах, часто цитируются в научной литературе, вошли в содержание ряда монографий (см., например, книги: С.А.Лосев. Газодинамические лазеры. М.: Наука, 1985; Е.Г.Колесниченко. Кинетические уравнения теории химически реагирующих газов. М.: Издательство МГУ, 1983; Г.Я.Герасимов. Экологические проблемы энергетики.: Издательство МГУ, 1998).

Ежемесячный семинар «Физико-химическая кинетика в газовой динамике», руководимый профессорами С.А.Лосевым, А.И.Осиповым и В.А.Левиным, проводится на протяжении уже более двух десятков лет и собирает многих ученых-специалистов из Москвы и других регионов России. На базе этого семинара и информационной состемы АВОГАДРО с 2002 года  издается электронный журнал "Физико-химическая кинетика в газовой динамике" , созданный и поддерживаемый силами сотрудников лаборатории.