จุดเริ่มต้นของการนำนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์เริ่มขึ้นเมื่อประมาณ พ.ศ. 2504 รัฐบาลในยุคนั้นเห็นความจำเป็นของการนำนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์ จนกระทั่งวันที่ 27 ตุลาคม พ.ศ. 2505 จึงมีการนำเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัยมาติดตั้ง ณ อาคารปฏิกรณ์ปรมาณู สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ ถนนวิภาวดีรังสิต ซึ่งนับเป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษาวิจัยและพัฒนาการนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ในการพัฒนาประเทศชาติ

ต่อมาได้มีการกำหนดให้งานควบคุมและกำกับดูแลกับงานวิจัยพัฒนาและการนำนิวเคลียร์ไปใช้ประโยชน์แยกออกจากกันอย่างชัดเจน กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี จึงได้จัดตั้งสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ สทน. เมื่อวันที่ 21 เมษายน พ.ศ. 2549 ซึ่งเป็นหน่วยงานที่แยกออกมาจากสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ โดยจัดตั้งตามพระราชกฤษฎีกาจัดตั้งสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) พ.ศ. 2549[2]นายบุญสม เลิศหิรัญวงศ์ เป็นประธานกรรมการ

ปัจจุบัน สทน. มีสำนักงาน 3 แห่ง คือ สำนักงานบริเวณถนนวิภาวดีรังสิต ศูนย์ฉายรังสีคลอง 5 จังหวัดปทุมธานี และศูนย์วิจัยองครักษ์ อำเภอองครักษ์ จังหวัดนครนายก