昭和15年8月，京城で開催された日本遺伝学会第13回大会において，国立遺伝学研究所設立決議案が満場一致で可決された．翌16年4月に日本学術振興会内に設けられた第4特別委員会(遺伝)がこれに協力して，研究所実現の努力を続けた．昭和22年5月，日本遺伝学会は,
財団法人遺伝学研究所を設立し，側面的に国立機関設置の促進に努めた．これらの努力が実を結び，昭和24年6月1日，文部省設置法が施行されて，ここに待望10年の国立遺伝学研究所が誕生した．
最初は，第1(形質遺伝)，第2(細胞遺伝)，第3(生理遺伝)の3研究部をもって発足し，事務所を文部省内に置いた.昭和24年9月，敷地として静岡県三島市富士産業株式会社所有の土地77,773平方メートルを買収するとともに，同社の建物4,452平方メートルを借り受け，12月1日研究所を現在の地に移した．昭和35，37，38年度には，従前の木造の本館を鉄筋コンクリート3階建に改築する工事が逐次進められ，昭和42年度において全館が完成した．また研究部門の構成も，昭和27年度に形質遺伝部，細胞遺伝部，生理遺伝部と改組され，さらに昭和28年度に生化学遺伝部，29年度に応用遺伝部，30年度に変異遺伝部，35年度に人類遺伝部，37年度に微生物遺伝部，39年度に集団遺伝部及び44年度に分子遺伝部が増設されて10部門となり，また50年度には遺伝実験生物保存研究施設が新設された.
昭和59年4月12日，国立学校設置法の改正により，文部省所轄機関から，大学共同利用機関へ改組･転換された これに伴って，従来から設置されていた10研究部は,研究対象のレベルに応じて分子･細胞･個体･集団の4研究系およびこれらにまたがる総合遺伝研究系の5つに区分され，昭和59年度はその中の3つの研究系に客員研究部門が設けられ，また，共同利用の核となるべき附属施設として，既存の遺伝実験生物保存研究センターの拡充がはかられ，加えて，遺伝情報研究センターが設置された.
昭和60年度には，2つの研究系の客員研究部門と，遺伝情報研究センターに合成研究室，遺伝情報分析研究室が設置された．
昭和63年度には，放射線･アイソトープセンターと遺伝情報研究センターに遺伝子ライブラリー研究室が設置された．また，７つの大学共同利用機関を母体とする総合研究大学院大学開学に伴い，生命科学研究科の遺伝学専攻を担当することになった．
平成3年度には，寄附研究部門として大量遺伝情報研究部門が設けられた．
平成5年度には，遺伝実験生物保存研究センターに発生工学研究室が，平成6年度には，遺伝情報研究センターに遺伝子機能研究室が設置された．
平成7年度には，生命情報研究センターが設置され，遺伝情報研究センターから遺伝情報分析研究室と遺伝子機能研究室が振替られるとともに，新に大量遺伝情報研究室と分子分類研究室が設置された．更に，平成8年度は，遺伝情報研究センターが構造遺伝学研究センターとして改組され，超分子機能研究室，構造制御研究室，超分子構造研究室及び遺伝子回路研究室の改組に加え，生体高分子研究室が設置された．
また，平成9年度には，遺伝実験生物保存研究センターの改組により，系統生物研究センター(マウス系統研究分野 哺乳動物遺伝研究室・発生工学研究室，イネ系統研究分野
植物遺伝研究室，大腸菌系統研究分野 原核生物遺伝研究室，無脊椎動物系統研究分野 無脊椎動物遺伝研究室の5研究室振替)及び生物遺伝資源情報総合センター(系統情報
研究室振替，生物遺伝資源情報研究室設置)が設置された．