สำนักงานการวิจัยแห่งชาติ เดิมใช้ชื่อว่า "สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ" (National Research Council of Thailand) ก่อตั้งขึ้นครั้งแรกในชื่อว่า "สภาวิจัยแห่งชาติ" ในปี พ.ศ. 2499 ตามพระราชบัญญัติสภาวิจัยแห่งชาติ พ.ศ. 2499 โดยแต่งตั้งอธิบดีกรมวิทยาศาสตร์เป็นเลขาธิการสภาวิจัยแห่งชาติโดยตำแหน่ง และตั้งสำนักงานเลขาธิการสภาวิจัยแห่งชาติขึ้นที่กรมวิทยาศาสตร์เป็นการชั่วคราว พร้อมทั้งได้กำหนดสาขาวิชาการที่จะวิจัยไว้เฉพาะด้านวิทยาศาสตร์โดยแบ่งออกเป็น 6 สาขา ได้แก่ สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ วิทยาศาสตร์การแพทย์ เคมีและเภสัชวิทยาศาสตร์ชีวภาพ เกษตรศาสตร์และวนศาสตร์ และสาขาวิศวกรรมศาสตร์และอุตสาหกรรม

พ.ศ. 2502 รัฐบาลโดย จอมพลสฤษดิ์ ธนะรัชต์ นายกรัฐมนตรีในขณะนั้น ได้ประกาศใช้พระราชบัญญัติสภาวิจัยแห่งชาติ พ.ศ. ๒๕๐๒ แทนพระราชบัญญัติสภาวิจัยแห่งชาติ พ.ศ. ๒๔๙๙ พร้อมทั้งจัดระบบงานและองค์ประกอบของสภาวิจัยแห่งชาติใหม่โดยให้มี "สำนักงานสภาวิจัยแห่งชาติ" ปฏิบัติงานให้กับสภาวิจัยแห่งชาติและเป็นหน่วยงานในสังกัดสำนักนายกรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 28 ตุลาคม 2502 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้ทำหน้าที่เป็นองค์กรกลางเกี่ยวกับการวิจัยของประเทศ

พ.ศ. 2507 ประกาศใช้พระราชบัญญัติสภาวิจัยแห่งชาติ (ฉบับที่ 2) พ.ศ. ๒๕๐๗ ซึ่งเป็นพระราชบัญญัติที่แก้ไขเพิ่มเติมพระราชบัญญัติสภาวิจัยแห่งชาติ พ.ศ. ๒๕๐๒ เพื่อกำหนดหน้าที่ของสภาวิจัยแห่งชาติและสำนักงานสภาวิจัยแห่งชาติให้เหมาะสมยิ่งขึ้น

พ.ศ. 2515 ได้มีประกาศของคณะปฏิวัติฉบับที่ ๓๑๕ ลงวันที่ ๑๓ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๑๕ แก้ไขพระราชบัญญัติสภาวิจัยแห่งชาติ พ.ศ. ๒๕๐๗ โดยมีการเปลี่ยนชื่อ "สำนักงานสภาวิจัยแห่งชาติ" เป็น "สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ" [2]

พ.ศ. 2522 เมื่อวันที่ 24 มีนาคม สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ ได้โอนไปอยู่ในสังกัดกระทรวงวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและการพลังงาน (ภายหลังได้เปลี่ยนชื่อเป็น "กระทรวงวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม") เมื่อวันที่ 23 มีนาคม พ.ศ. 2535

พ.ศ. 2543 เมื่อวันที่ 5 ธันวาคม สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ ได้โอนไปอยู่ในบังคับบัญชาของนายกรัฐมนตรี โดยมีฐานะเป็นกรม ซึ่งไม่สังกัดสำนักนายกรัฐมนตรี กระทรวง หรือทบวง ด้วยเหตุผลที่ว่า เพื่อให้สำนักงานฯ ได้มีบทบาทเป็นหน่วยงานกลางในการทำหน้าที่เสนอแนะนโยบายและแผนการวิจัยทั้ง ด้านวิทยาศาสตร์และสังคมศาสตร์ได้อย่างแท้จริงตามกฎหมายว่าด้วยสภาวิจัยแห่ง ชาติรวมทั้งสามารถให้คำปรึกษารัฐบาลเกี่ยวกับกิจกรรมต่าง ๆ เกี่ยวกับการวิจัยได้โดยรวดเร็วและทันต่อเหตุการณ์ อีกทั้งเพื่อให้สำนักงานฯ ได้อยู่ในสายการบังคับบัญชาเดียว คือ ขึ้นตรงกับประธานสภาวิจัยแห่งชาติ (นายกรัฐมนตรี) ซึ่งตามพระราชบัญญัติสภาวิจัยแห่งชาติได้ระบุให้มีอำนาจหน้าที่ในการกำหนดนโยบายการทำงานของสำนักงานฯ อยู่แล้ว

เมื่อวันที่ 3 ตุลาคม พ.ศ. 2545 รัฐบาลได้ประกาศใช้กฎหมายเกี่ยวกับการปฏิรูประบบราชการ คือ พระราชบัญญัติปรับปรุงกระทรวง ทบวง กรม พ.ศ. 2545 ซึ่งในหมวด 21 ได้กำหนดให้สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติเป็นส่วนราชการไม่สังกัดสำนักนายกรัฐมนตรี กระทรวง หรือทบวง[3] มีอำนาจหน้าที่เกี่ยวกับการวิจัยและอำนาจหน้าที่ตามที่กำหนดไว้ในกฎหมาย และมีฐานะเป็นกรม อยู่ในบังคับบัญชาของนายกรัฐมนตรี ซึ่งได้มอบหมายและมอบอำนาจให้รองนายกรัฐมนตรี (ร้อยตำรวจเอก ปุระชัย เปี่ยมสมบูรณ์) กำกับการบริหารราชการ และสั่งและปฏิบัติราชการสำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติแทน

วันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2559 ในการประชุมคณะกรรมการพัฒนาระบบนวัตกรรมของประเทศ (คพน.) ครั้งที่ 3/2559 ที่ ตึกสันติไมตรี ทำเนียบรัฐบาล ซึ่งมี พลเอกประยุทธ์ จันทร์โอชา นายกรัฐมนตรีเป็นประธานได้มีมติให้ควบรวมคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ คณะกรรมการนโยบายวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และนวัตกรรมแห่งชาติและคณะกรรมการพัฒนาระบบนวัตกรรมของประเทศเข้าด้วยกันเรียกว่า คณะกรรมการนโยบายวิจัยและนวัตกรรมแห่งชาติ (นวนช.) โดยมีนายกรัฐมนตรีเป็นประธานเพื่อให้นโยบายวิจัยและนวัตกรรมของประเทศเป็นไปในทิศทางเดียวกันรวมถึงลดความซ้ำซ้อนในการทำงานของคณะกรรมการทั้ง 3 คณะ

ต่อมาในวันที่ 6 ตุลาคม พ.ศ. 2559 ได้มีการจัดตั้ง สภานโยบายวิจัยและนวัตกรรมแห่งชาติ ขึ้นตามคำสั่งหัวหน้าคณะรักษาความสงบแห่งชาติ ที่ 62/2559 ลงวันที่ 6 ตุลาคม พ.ศ. 2559 โดยให้ยุบสภาวิจัยแห่งชาติรวมถึงคณะกรรมการบริหารและคณะกรรมการสาขาวิชาการและให้โอนอำนาจหน้าที่ไปเป็นของสภานโยบายวิจัยและนวัตกรรมแห่งชาติ [4]

ต่อมาพระราชบัญญัติปรับปรุงกระทรวง ทบวง กรม (ฉบับที่ 19) พ.ศ. 2562 กำหนดให้ สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ ซึ่งเป็นส่วนราชการไม่สังกัดสำนักนายกรัฐมนตรี กระทรวงหรือทบวง เป็น สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม [5] พร้อมกับโอนบรรดากิจการ ทรัพย์สิน สิทธิ หน้าที่ หนี้ ภาระผูกพัน เงินงบประมาณบุคลากรของ "สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ" ไปเป็นของ "สำนักงานการวิจัยแห่งชาติ" ตั้งแต่วันที่ 2 พฤษภาคม เป็นต้นไป[6]

ในเดือนเมษายน​ พ.ศ. 2563​ ศ.นพ.สิริฤกษ์ ทรงศิวิไล ผู้อำนวยการสำนักงานวิจัยแห่งชาติ ​ได้รับการแต่งตั้งให้เป็นหัวหน้าผู้รับผิดชอบการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉินในส่วนที่เกี่ยวกับนวัตกรรม การแพทย์​ การวิจัย และพัฒนา[7]