1982年1月，中央研究院和國家科學委員會（國家科學及技術委員會前身）聯合舉辦一場為期十天的「遺傳工程研討會」。我國「科技教父」李國鼎先生在研討會開幕致詞時，表示「遺傳工程」有可能被選為我國下一階段發展的策略工業。李國鼎先生是臺灣科技發展的重要推手，他竭力協助中央研究院得到政府當局的充分理解與支持，促使發展生命科學正式列入政府科技政策。除此之外，感於培育及延攬高科技人才是突破現狀的關鍵，他親自赴美，呼籲留美科技人才參與國內教學研究。在李國鼎先生與吳大猷前院長的號召與支持下，一群滿懷熱忱的國內外學者專家站了出來，出力協助中央研究院成立「分子生物研究所」和「生物醫學科學研究所」，負責推動尖端生物科學和醫學的研究，也肩負培育人才的責任。

1982年12月，「分子生物學綜合研究室籌備處」（分子生物研究所前身）成立，禮聘曹安邦院士負責籌備事宜。曹安邦院士上任之後，聘任王倬、吳瑞、何潛、黃周汝吉、余南庚、郭宗德、彭明聰、蔡作雍、黃秉乾、吳成文、韓韶華、田蔚城為諮詢委員，林耀輝、郭宗德、吳成文、田蔚城先後擔任籌備處代理主任。分生所籌備之初以海外借將、團隊接力方式，來因應人才羅致之困境，期在最短時間內達到最高效力，期間先後邀請王倬、黃周汝吉、吳瑞、何潛及王正中院士回國擔任籌備處主任。

1986年7月，王倬院士為首位「輪班」主任。第一年延攬了鍾邦柱、黃昭蓮、譚鳴輝和許祖法加入分生所，他們可謂分生所創所元老。王院士更邀請劉昉、謝道時、涂振北、周寄梅、沈哲鯤等人一同返國擔任客座教授，人稱為「五虎將」。他們協助分生所設立，購置儀器設備，延攬人才，訂定研究方向，並建立與大學的合作關係。

1987年9月黃周汝吉院士接棒擔任主任，以相同模式邀請另一批訪問學者，來拓展分生所的研究領域。1988年，共有8位研究員加入分生所，大大地增進了分生所的研究能量。以當時臺灣相當有限的資源，必要集中人才和資源，打破研究員之間的樊籬，黃秉乾院士提出「無牆」實驗室的概念，並建立實驗室庫房制度。

1989年，吳瑞院士擔任第三任主任，負責推展植物分子生物學，當年有2位新的研究員加入分生所。1990年，何潛院士回來協助推動結構生物學的發展。這段時期的訪問學者對於分生所研究的推展、硬體設施的建構以及研究員們的研究計畫，都提供不少協助。當中有許多人也成為分生所的好朋友，之後持續關心分生所的發展，並從各方面與予協助。後來其中多位，包含沈哲鯤、謝道時、劉昉、龔行健、李文華、賴明詔、賀端華、王惠鈞、陳長謙更回到國內領導學術研究，在第一線上協助不同單位的科研發展。

1991年，王正中院士開始擔任籌備處主任。分生所當時已具相當規模，便於1993年結束籌備階段，3月1日正式成所。王院士任內並籌建本所第二棟大樓，且在其任內破土動工，他也在分生所建立了穩定的seminar program。分生所創建時期，郭宗德院士扮演著重要角色，他除了在籌備時期代理諮詢委員會主任外，在吳瑞主任時期及王正中所長任期前後均曾代理主任或所長職務，為穩定分生所之重要支柱。之後，分生所開始步入穩定成長階段，持續延攬人才，成立重要的核心設施，建立良善的制度，為研究奠定良好軟硬體環境。沈哲鯤院士於1995年2月接任所長，至2004年止。姚孟肇院士2004年接任所長，至2013年止。鄭淑珍院士於2013年接任所長，至2019年止。2020年7月起由程淮榮博士任所長至今。