自然科学史研究所的前身是中国自然科学史研究室（院直属独立单位），成立于1957年1月1日，是中国第一个专门的综合性的科技史研究机构。1962年9月，由中国科学院哲学社会科学部代管。1975年8月，扩建为自然科学史研究所。1977年5月，哲学社会科学部改为中国社会科学院。1978年1月1日，自然科学研究所重归中国科学院。1999年12月被认定为科研基地型研究所，2002年4月进入知识创新工程试点序列，2006年4月进入知识创新工程三期基地。李俨是中国自然科学史研究室首任主任。仓孝和、席泽宗、陈美东、廖克、刘钝和廖育群先后任自然科学史研究所所长或主持所务工作，现任所长为张柏春。

中国自然科学史研究室起初设有数学史、天工化物、生物地学史3个专业研究组。1965年后，天工化物组中的工艺史部分单独成立了工业技术史组。1975年扩建为研究所后，所下设数学史组、天文学史组、物理化学史组、生物地学史组、技术史组和通史组。1978年研究所将这些专业研究组合并为中国古代科学史研究室，并成立中国近现代科学史研究室。1984年撤销中国古代科学史研究室，成立中国科技通史、古代物理学化学史、古代生物学地学史、古代技术史、古代数学天文学史5个研究室。1998年改变以往按学科史划分研究室的办法将研究室调整为4个：中国古代科学史研究室、技术与应用科学史研究室、中国近现代与世界科学史研究室、科技史理论与综合研究室。2002年撤销研究室，成立了研究部。科研人员由研究部统一协调。2006年成立“中国传统科技文明研究中心”。2006年6月成立中国科学院院史研究室。2010年4月成立中国古代科技史研究室、中国近现代科技史研究室暨中国科学院院史研究室、西方科技史研究室。

50余年以来，自然科学史研究所由一个起初在编人员仅8人的单纯研究中国古代科技史的研究室，发展成了一个综合实力位居全国之冠，研究方向涵盖中国传统科技文明、中国近现代科技史与科技发展战略、中外科技发展的比较与交流、科学文化的研究所。它在中国古代科技史领域取得了中外学术界公认的成就，近30年来又开拓了中国近现代科技史和世界近现代科技史研究领域，在国内科技史界起到了重要的推动作用。所撰著、编辑和出版著作近400部，发表论文5000余篇，获40余项国家级图书奖、中国科学院自然科学奖和部委科技成果奖；培养博、硕士研究生200余名。

自然科学史研究所是中国唯一的国家级的多学科和综合性的科技史研究机构，是中国科学院内少数兼具自然科学和人文社会科学双重功能的科研实体之一，也是国务院学位委员会确认的一级学科“科学技术史”和二级学科“科学技术哲学”的博、硕士学位授予点。现有在编人员85人，在站博士后3人，在学研究生60余人，具有高级专业技术职称者38人。研究员中有中国科学院院士1人、国际科学史研究院院士2人和通讯院士1人。中国科学技术史学会挂靠该所。研究所主办科技史领域的权威专业学术期刊《自然科学史研究》、《中国科技史杂志》以及《科学文化评论》。所训为汉代著名历史学家司马迁的名句“究天人之际，通古今之变”；战略定位和发展目标为：发展成为国家科学思想库的一个重要组成部分，代表国家水平的科学技术史研究中心和世界知名的科学技术史研究机构。