สถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล มหาวิทยาลัยมหิดล เป็นการควบรวมของหน่วยงานทั้ง 2 หน่วยงาน คือ "สถาบันวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี" และ "สถาบันอณูชีววิทยาและพันธุศาสตร์"

ปี พ.ศ. 2524 จัดตั้ง "สถาบันวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี " เพื่อสนับสนุนให้คณาจารย์และนักวิชาการของมหาวิทยาลัยได้ทำงานค้นคว้าวิจัยทางด้านชีววิทยาศาสตร์ระดับโมเลกุล [1]

ปี พ.ศ. 2535 ได้รับการสนับสนุนให้เกิดการสร้างอาคารวิจัยอย่างเต็มรูปแบบขึ้นในพื้นที่ของศาลายา ด้วยงบประมาณก่อสร้างประมาณ 392 ล้านบาท พร้อมครุภัณฑ์อีก 24 ล้านบาท โดยถือเป็นอาคารหลังแรกและเป็นศูนย์รวมของการมีห้องปฏิบัติการวิจัยในสาขาต่างๆอย่างครบถ้วน

"สถาบันอณูชีววิทยาและพันธุศาสตร์" จัดตั้งขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2540 ตามประกาศในราชกิจจานุเบกษา ลงวันที่ 2 ตุลาคม พ.ศ. 2540 เพื่อเป็นแหล่งผลิต วิจัย พัฒนาและเป็นหน่วยงานกลางทางวิชาการด้านอณูวิทยาพันธุศาสตร์ และพันธุศาสตร์ [2]

ต่อมา "สถาบันวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี" และ "สถาบันอณูชีววิทยาและพันธุศาสตร์" ได้รับการปรับโครงสร้างของส่วนงานภายในมหาวิทยาลัย เมื่อวันที่ 20 พฤษภาคม พ.ศ. 2552 ตามประกาศมหาวิทยาลัยมหิดล เรื่องการจัดตั้งส่วนงานของ มหาวิทยาลัยมหิดล พ.ศ. 2552 เป็น "สถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล มหาวิทยาลัยมหิดล" [3]

สถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล มหาวิทยาลัยมหิดล เป็นจุดเริ่มต้นของการบ่มเพาะงานวิจัยในระดับแนวหน้าของมหาวิทยาลัยและของประเทศจำนวนมาก ไม่ว่าจะเป็นงานวิจัยทางด้านการแพทย์และวิทยาศาสตร์การแพทย์เกี่ยวกับโรคที่พบบ่อยในประเทศไทย เช่น ธาลัสซีเมีย และไข้เลือดออก ไปจนถึงด้านเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อคนไทย อาทิ ความหลากหลายทางชีวภาพ ยางพารา มันสำปะหลัง กุ้ง และเทคโนโลยีในการควบคุมประชากรยุง เป็นต้น งานวิจัยและพัฒนาจำนวนหนึ่งมีมูลค่าสูงในเชิงพาณิชย์ โดยเฉพาะวัคซีน ยาขับเหล็ก และเทคโนโลยีชีวภาพกุ้ง นอกจากนี้ งานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับอาหาร ยารักษาโรค การวินิจฉัยโรค และวัคซีนของสถาบันฯ ยังเป็นผลงานที่มีผลกระทบสูง สร้างรายได้ให้แก่สถาบันฯ และมหาวิทยาลัยมหิดล และยังสามารถตอบเป้าหมายการพัฒนาสากลที่เรียกว่า เป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน หรือ Sustainable Development Goals (SDG) ได้เป็นอย่างดี ไม่ว่าจะเป็นเรื่องการสร้างความมั่นคงทางอาหาร และการส่งเสริมความเป็นอยู่ที่ดีของประชาชน