南京大学数学系源于中央大学数学系和金陵大学数学系。中大数学系的前身是1920年成立的南京高师数学系，创办者是熊庆来教授。1952年高等院校调整，成立了南京大学数天系，1958年天文从数天系分离成立天文学系，1978年计算机技术从数学系分离成立计算机系，此后数学系的基本格局保持不变。
自1999年起，根据教育部要求，原有的数学、计算数学及其应用软件、统计与概率、运筹学、应用数学等本科专业合并为数学与应用数学、信息与计算科学、统计学三个本科专业；该系已被教育部确定为全国为数不多的数学一级学科博士点（即在数学学科的所有方向均可进行硕士生、博士生培养）并拥有博士后流动站，从而形成了本科生、硕士生、博士生和博士后的完整培养体系。
1988年，该系的基础数学被评为国家重点学科，
2000年，基础数学再次被评为国家重点学科。
2007年，该系数学成为国家一级重点学科。