На початку кафедра підпорядковувалася факультету лісового господарства. У цей період кафедра забезпечувала навчальний процес на усіх факультетах університету з таких дисциплін: «Основи екології», «Безпека життєдіяльності», «Охорона праці», «Агроекологія» та «Цивільна оборона».
Починаючи з 2005 року до 2008 завідувачем кафедри був призначений кандидат технічних наук, доцент Д’яконов Василь Іванович.
У 2008 році кафедра екології та безпеки життєдіяльності відповідно до рішення Вченої ради університету від 23 квітня 2008 року (протокол №3) та наказу ректора № 126 від 5 травня 2008 року була реорганізована у кафедру екології та біотехнології, що пов’язано з відкриттям нового напряму підготовки здобувачів вищої освіти 101 «Екологія». Очолив кафедру доктор сільськогосподарських наук, професор, член-кореспондент НААН України Пузік Володимир Кузьмич.
Протягом 2016–2017 рр. кафедру очолювала кандидат ветеринарних наук, доцент Волощенко Вікторія Вікторівна, а з липня 2017 року кандидат фізико-математичних наук, доцент Масленніков Дмитро Ігорович.
З грудня 2017 року по листопад 2018 року завідувачем кафедри був доктор біологічних наук, професор Білецький Євген Миколайович, з листопада 2018 року до липня 2019 року – доктор сільськогосподарських наук, доцент Чайка Микола Іванович.
З серпня 2019 року по лютий 2020 року – кандидат технічних наук, доцент Д’яконов Василь Іванович. З березня 2020 року до вересня 2021 року кафедру очолювала кандидат сільськогосподарських наук, доцент Головань Лариса Володимирівна.
Кафедра була провідною з підготовки фахівців за спеціальностями: 101 «Екологія» та 162 «Біотехнології та біоінженерія».
З 2016 року при кафедрі було відкрито аспірантуру за спеціальністю 101 «Екологія». Кафедра забезпечувала підготовку фахівців усіх форм навчання на всіх факультетах університету.
Починаючи з 1974 р. до 1980 р. кафедру очолював доцент Атрошенко М.Д. З 1980 по 2005 роки кафедру очолював професор університету Солошенко О.В. У 2005 році згідно до рішення Вченої Ради університету були створені 2 кафедри: агрономії та екології, яку очолив проф. Солошенко О.В., загальної та біологічної хімії, яку очолив проф. Васильєв С.І.
У 2009 році згідно з рішенням Вченої Ради університету була створена кафедра хімії, агрономії та екології, яку очолив проф. Васильєв С.І. У 2011–2013 роки секція агрономії і екології була введена до складу кафедри фізики, хімії і агрономії ННІ ПХВ під керівництвом професора Спольніка О.І. З 2012 року секцію очолював кандидат сільськогосподарських наук, доцент, заслужений працівник сільського господарства України Горбаньов А.П.
У зв’язку з реорганізацією структури ХНТУСГ імені Петра Василенка у травні 2013 року секція агрономії та секція виробничого навчання стали структурними підрозділами кафедри оптимізації технологічних систем імені Т.П. Євсюкова ННІ МСМ.
У серпні 2017 року секції агрономії та виробничого навчання були відокремлені від кафедри оптимізації технологічних систем ім. Т.П. Євсюкова і об’єднані у складі кафедри агротехнологій та екології під керівництвом доктора сільськогосподарських наук, професора, заслуженого діяча науки і техніки України, член-кореспондента НААН України Пузіка Володимира Кузьмича. У 2017 році на кафедрі відкрито спеціальність 101 «Екологія» освітньо-кваліфікаційних рівнів «бакалавр» та «магістр».
Поступово навчальні дисципліни, що мали пряме відношення до екології, формувались в єдину кафедру, у 1926 році у Харківському зоотехнікумі вони були поєднанні з метеорологією, у 1970 (у ХДЗВА) було створено кафедру фармакології, токсикології, радіобіології та цивільної оборони (зав. Наливайський М.І.), у 1987 році – кафедру цивільної оборони та ветеринарної радіобіології (Попов І.М., Гармаш М.А., Мусатов С.А., Нікітін Л.М., і т.д.)
Кафедру прикладної екології було утворено в 1992 році і першим її завідувачем став доцент Богдановський О.В. В різні часи на кафедрах, що були об’єднані в сучасну, працювали: Ємельянов В.Т.(1983–1987), доцент Гончарова Л.В.(1994–2014), доцент Тертишний А.А. (1992–2010).
У 2000 році кафедру очолив Маменко О.М. – доктор с.-г. наук, чл.-кор. НААНУ, академік УАН, професор, він створив наукову школу екологів – технологів, опублікував більше 700 наукових праць, в тому числі 50 монографій, підручників і навчальних посібників, на кафедрі редагувались і видавались збірники наукових праць.
Кафедра була та залишається одним з лідерів з підготовки висококваліфікованих фахівців у галузі екології, охорони навколишнього середовища та збалансованого природокористування, технологій захисту довкілля та екологічної біотехнології.
Кафедра здійснює підготовку на всіх рівнях вищої освіти (бакалавр, магістр, доктор філософії) за спеціальностями 101 Екологія (освітня програма «Екологія»), 103 Науки про Землю (освітня програма «Моніторинг геосистем та ГІС-технології»), 162 Біотехнології та біоінженерія (освітня програма «Екологічні біотехнології»), 183 Технології захисту навколишнього середовища (освітня програма «Захист довкілля та раціональне природокористування»).
Попит на випускників кафедри всіх спеціальностей обумовлений органічним поєднанням природничо-наукового і прикладного аспектів підготовки здобувачів за освітніми програмами, що визначає їх затребуваність практично в будь-якій сфері діяльності:
- Підрозділи Державного управління охорони навколишнього природного середовища (ОНПС);
- Державна екологічна інспекція, яка здійснює контроль за дотриманням вимог природоохоронного законодавства України (прикордонний екологічний контроль, контроль та нагляд за лісовим фондом; земельними ресурсами, надрами, корисними копалинами, водним фондом, станом атмосферного повітря, контроль радіаційного фону та поводження з відходами); інженерами-екологами на підприємствах та в санітарно епідеміологічній службі;
- Державна інспекція з карантину рослин;
- Науково-дослідницькі інститути;
- Викладачі в коледжах і закладах вищої освіти.
Вони забезпечують підготовку висококваліфікованих, успішних фахівців у галузі охорони й відновлення довкілля, здатних:
- вирішувати актуальні комплексні проблеми захисту навколишнього середовища та раціонального природокористування;
- здійснювати оцінку техногенного впливу на довкілля та екологічних ризиків антропогенної діяльності;
- оптимізувати управління збалансованим природокористуванням та екологічною безпекою на локальному, регіональному та національному рівнях.