中国科学院自然科学史研究所的前身是中国自然科学史研究室，由中国科学院副院长竺可桢创议成立于1957年1月1日，是中国第一个综合性的科技史专门研究机构。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。
学部委员李俨为中国自然科学史研究室首任主任。段伯宇、仓孝和、席泽宗（院士）、陈美东、廖克、刘钝、廖育群和张柏春等先后任自然科学史研究所所长或主持所务工作。现研究所工作由副所长关晓武研究员主持。
竺可桢 李俨 席泽宗
1957-1978年，研究室（所）强调有计划地整理中国自然科学和技术遗产，专注古代科技史研究，设有数学史、天工化物、生物地学史3个专业研究组。1958年创办国内最早的科技史专业期刊——《科学史集刊》。1965年后，天工化物组中的工艺史部分单独成立工艺技术史组。“文化大革命”期间，研究所的正常工作曾陷于停滞。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。
1978-1999年，学科方向由中国古代科技史拓展至近现代科技史，并增加科技哲学学科，恢复开展国际学术交流与合作。1978年将古代科技史的几个研究组归并为中国古代科学史研究室，且增设近现代科学史研究室，开辟新的研究方向。1982年《科学史集刊》更名为《自然科学史研究》（季刊）。1984年，中国古代科技史研究室分解为数学天文史、物理化学史、生物地学史、技术史和中国科学技术通史等5个研究室。1998年改变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。
1999-2013年，遵循中国科学院“知识创新工程”和“一三五”发展规划等部署，研究所全面推进改革，开辟若干新方向，拓展国际学术空间。1999年12月被认定为科研基地型研究所。在学科建设方面，以中国古代科技史与中国近现代科技史为主体，适应国家发展的需求，于1999年开始研究科技发展战略，2001年前后开辟科学文化研究方向，2006年增加中外科技发展比较方向。在组织机构方面，2002年将4个研究室合并为一个研究部，2004年创建中国科学院传统工艺与文物科技研究中心（2014年更名为文化遗产科技认知研究中心），2006年6月建立院史研究室，2009年12月成立科学文化研究中心。这一阶段，选取司马迁的名句“究天人之际，通古今之变”为所训。
2010年4月研究所从孚王府迁至中关村基础科学园区，积极谋划未来十年的发展，继续推进国际合作。是年，撤销研究部，建设旨在加强学科基础的中国古代科技史研究室、中国近现代科技史研究室和西方科技史研究室，以及促进学科交叉与承担重要任务的科学院传统工艺与文物科技研究中心、学部学科发展战略研究中心、院史研究室、科学文化研究中心和中外科技发展比较研究中心，人员规模增至近120名。2013年接受中国科学院组织的“一三五”规划国际评估，获得国际专家组好评。
自2014年起，按照中国科学院的《“率先行动”计划暨全面深化改革纲要》等战略举措，研究所制订“十三五”发展规划，继续优化学科结构，改革体制机制。2015年7月，28名研究人员及由其中部分人员构成的院史研究室和科学文化研究中心调往中国科学院大学人文学院，进行深度的“科教融合”。2015年9月，将学部学科发展战略研究中心更名为科技与社会研究中心，成立科学传播研究中心，继续以科技史和科学思想研究支撑思想库（智库）建设。
半个多世纪以来，自然科学史研究所由一个起初在编人员仅8名的单纯研究中国古代科技史的研究室，发展成学科涵盖中外科技史及相关的科技哲学与科技考古学、以中国科技史为核心竞争力、规模居国际前三位的科技史专业研究机构。
研究所下设国内最大的科技史专业图书馆，是现阶段国内收藏最丰富的科学史专业图书馆，也是国际上收藏中国科技史文献最丰富的专业图书馆。现有藏书17万余册，其中平精装中文书10万余册、西文书3万余册、日韩文书5千余册、俄文书6千余册，中文期刊1200余种、西文期刊700余种、日文期刊70余种、俄文期刊120种，特藏线装书籍3800余种约25000册。入藏的大型中文丛书有《四库全书》系列、《丛书集成》系列、《古今图书集成》、《清代诗文集汇编》、《清代诗文集珍本丛刊》、《明别集丛刊》、《民国史料丛刊》、《民国文献资料丛编》等。近年来，还十分重视电子资源和数据库建设，陆续开通使用了若干种中文大型数字化文献库和外文数据库。
科学史所为科学技术史理学一级学科和科学技术哲学二级学科的博士、硕士学位授予点。自1978年以来，科学史所独立或与海外联合培养研究生超过400人，接受海外进修生和青年访问学者数十名。
