กรมวิทยาศาสตร์บริการ ก่อตั้งในปี 2434 โดยเป็น สถานปฏิบัติการวิเคราะห์แร่ ในสังกัด กรมราชโลหกิจและภูมิวิทยา ต่อมาได้โอนย้ายไปสังกัด กรมกษาปณ์สิทธิการ โดยมีหน้าที่หลักคือควบคุมดูแลเนื้อโลหะที่ใช้ในการทำ เหรียญกษาปณ์[3]

ต่อมาในปี 2468 ได้ยกกองแยกธาตุ (ชื่อในขณะนั้น) ขึ้นเป็น ศาลาแยกธาตุ (The Government Laboratory) มีสถานะเป็นกรมหนึ่ง ขึ้นกับ กระทรวงพาณิชย์และคมนาคม

ปี 2475 หลังจากการเปลื่ยนแปลงการปกครอง ก็ได้เปลื่ยนชื่อ จากศาลาแยกธาตุ เป็น กรมวิทยาศาสตร์ กระทรวงเกษตรพาณิชยการ โดยมี ตั้ว ลพานุกรม ได้รับการแต่งตั้งเป็นอธิบดีกรมวิทยาศาสตร์คนแรก[3]

โดยกรมได้ริเริ่มงานเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์การแพทย์ โดยได้จัดตั้ง กองเภสัชกรรม เพื่อวิจัยสมุนไพร ที่สามารถนำมาเป็นยารักษาโรคได้ สถานศึกษาเคมีปฏิบัติ ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่ออบรมบุคลากร ให้มีความรู้ในเชิงเคมีป และสามารถเข้ารับราชการในกรม หรือ หน่วยงานรัฐบาลอื่นๆ ได้ รวมไปถึงการจัดทำวารสารวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อว่า Siam Science Bulletin เพื่อเผยแพร่งานวิจัยในประเทศ และแลกเปลี่ยนความรู้ เชิงวิชาการกับต่างประเทศ

ต่อมาเมื่องานของกรม ได้ขยายมากขึ้น ทำให้ต้องมีการแยกออกจากรม เช่น องค์การเภสัชกรรม ในปี 2482, สถาบันวิจัยแห่งชาติ ในปี 2499, สำนักงานพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ ในปี 2505, สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย ในปี 2506, สำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม ในปี 2522[4] เป็นต้น

และเมื่อมีการจัดตั้ง กระทรวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และ การพลังงาน ในปี 2522 กรมก็เป็นส่วนราชการหนึ่งของกระทรวง จนกระทั่งในปี 2535 จึงได้เปลื่ยนชื่อเป็น กรมวิทยาศาสตร์บริการ จวบจนปัจจุบัน และในปี 2541 งานด้านมาตรวิทยาแห่งชาติที่ริเริ่มและดำเนินการอยู่ในกองฟิสิกส์และวิศวกรรม ได้จัดตั้งเป็น สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ

ต่อมาภายหลังมีการปรับปรุงโครงสร้างระบบราชการ เมื่อวันที่ 3 ตุลาคม 2545 พระราชบัญญัติปรับปรุงกระทรวง ทบวง กรม พ.ศ. 2545[5] กำหนดให้กรม สังกัดกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

และเมื่อ พระราชบัญญัติปรับปรุงกระทรวง ทบวง กรม (ฉบับที่ ๑๙) พ.ศ. ๒๕๖๒ ลงในราชกิจจานุเบกษา มีผลทำให้จัดตั้ง กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม กรม ก็เข้ามาเป็นส่วนราชการหนึ่งของกระทรวงด้วย[2]