ประเทศไทยเข้าเป็นสมาชิกองค์การยูเนสโกเมื่อวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2492 นับเป็นประเทศสมาชิกลำดับที่ 49 และคณะรัฐมนตรีได้มีมติแต่งตั้ง คณะกรรมการแห่งชาติว่าด้วยการศึกษา วิทยาศาสตร์ และวัฒนธรรมแห่งสหประชาชาติ (National Commission for UNESCO) เพื่อให้เป็นไปตามกฎบัตรของยูเนสโก โดยมีรัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการ เป็นประธาน, ปลัดกระทรวงศึกษาธิการ เป็นรองประธาน, และ รองปลัดกระทรวงศึกษาธิการ (ฝ่ายการต่างประเทศ) เป็นเลขาธิการ

ต่อมาเมื่อวันที่ 26 ตุลาคม พ.ศ. 2492 ได้มีการจัดตั้งหน่วยงานเพื่อประสานงานกับยูเนสโก คือ สำนักเลขาธิการคณะกรรมการแห่งชาติว่าด้วยการศึกษา วิทยาศาสตร์ และวัฒนธรรมแห่งสหประชาชาติ ตั้งอยู่ที่ สำนักความสัมพันธ์ต่างประเทศ สำนักงานปลัดกระทรวงศึกษาธิการ โดยมีหน้าที่เป็นหน่วยประสานงานในระดับชาติของกิจกรรมที่อยู่ในขอบข่ายงานของยูเนสโก มี 6 ด้านได้แก่ การศึกษา วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ สังคมศาสตร์และมนุษยศาสตร์ วัฒนธรรม การสื่อสารและสารสนเทศ ส่วนด้านสุดท้ายเป็นหัวข้อพิเศษ ซึ่งในทางปฏิบัติจะได้มีการแต่งตั้งคณะกรรมการฝ่ายต่าง ๆ เพื่อปฏิบัติงานเฉพาะด้าน ตามภารกิจและความชำนาญ

ในปี พ.ศ. 2504 คณะรัฐมนตรีอนุมัติให้องค์การยูเนสโกจัดตั้ง สำนักงานส่วนภูมิภาคเอเชียและแปซิฟิก ขึ้นที่ประเทศไทย โดยปัจจุบันอยู่ที่ “อาคาร ๑๐๐ ปี หม่อมหลวงปิ่น มาลากุล (Mom Luang Pin Malakul Centenary Building)” อยู่ใกล้กับ สสวท. และท้องฟ้าจำลองกรุงเทพ

ต่อมาในปี พ.ศ. 2525 ได้มีการจัดตั้ง สำนักงานคณะผู้แทนถาวรไทย ประจำ ณ สำนักงานใหญ่องค์การยูเนสโก กรุงปารีส โดยมีเอกอัครราชทูต ณ กรุงปารีส เป็นผู้แทนถาวรไทยประจำยูเนสโก ส่วนกระทรวงศึกษาธิการได้จัดส่งนักวิชาการศึกษามาประจำที่สำนักงาน เพื่อทำหน้าที่รองผู้แทนถาวรไทยประจำยูเนสโก แต่ในปี พ.ศ. 2540 ประเทศไทยได้ประสบภาวะเศรษฐกิจ กระทรวงศึกษาธิการจึงได้เสนอปิดสำนักงานเป็นการชั่วคราว และรองผู้แทนถาวรไทยประจำยูเนสโก ได้เดินทางกลับมาปฏิบัติหน้าที่ที่กรุงเทพฯ โดยมีสำนักงานชั่วคราวที่กองการสัมพันธ์ต่างประเทศ กระทรวงศึกษาธิการ และสถานเอกอัครราชทูต ณ กรุงปารีส ได้มอบหมายให้มีเจ้าหน้าที่ดูแลงานของยูเนสโกแทน

ในฐานะประเทศสมาชิก ประเทศไทยได้ชำระเงินอุดหนุนองค์การเป็นประจำ โดยมีสัดส่วน ร้อยละ 0.335 โดยการตั้งงบประมาณไว้ที่กระทรวงศึกษาธิการ ในปีงบประมาณปี พ.ศ. 2545 ประเทศไทยได้ชำระค่าสมาชิกให้กับยูเนสโก เป็นจำนวน 35.18 ล้านบาท นอกจากนี้ ยังมีเงินอุดหนุนสำนักงานส่วนภูมิภาคเอเชียและแปซิฟิก ที่ตั้งอยู่ที่กรุงเทพฯ เงินอุดหนุนศูนย์ ICCROM ที่ประเทศอิตาลี และเงินอุดหนุนกองทุนมรดกโลก อีก 905,000 บาท