国立環境研究所の前身である国立公害研究所は、1974年に環境庁に設置された。公害対策を推進するため、環境汚染が人の健康や生活環境に及ぼす影響や、公害監視測定方法の研究をはじめとする総合的な研究体制の整備が重要であるという認識の下、その中心的な役割を担う研究機関を整備することとなり、環境庁ができた1971年から設立準備委員会で議論が進められ、開設に至った。当初は主に地域に関する環境問題を研究対象としていたが、地球環境問題などグローバルな問題に関する研究により力を入れる必要が高まったことから、1990年７月に全面的に改組され、国立環境研究所と改称された。
改組に伴い、組織の再編や拡充が行われた。まず、研究部門が、分野ごとの基礎的研究を行う６つの基礎研究部門と、社会・行政ニーズに対応した研究を行う２つの総合研究部門に分けられ、環境情報センターが設置された。また、地球環境研究センターが設置され、公害研修所が環境研修センターとして統合された。こうした新体制の下、理学・工学、農学、医学・薬学、水産学、法学、経済学など広範な分野の専門家により、さまざまな基礎研究や特別研究が行われた。さらに、環境情報システムや各種データベースの整備や、国際的な研究協力体制の構築も進められた。
その後、中央省庁等改革などの動きを受けて、2001年４月に特定独立行政法人（役職員が国家公務員の身分を有する法人）となったのと同時に、廃棄物研究部が新設。環境大臣が定めた第１期中期計画（目標期間：2001〜2005年度）に基づき、重点研究分野を中心に、重点特別研究プロジェクトや政策対応型調査・研究、基盤的調査・研究などの環境研究が行われた。2006年４月には、独立行政法人制度の見直しに伴い、独立行政法人国立環境研究所法の改正法が施行され、役職員が国家公務員身分を有しない通常の独立行政法人へと移行し、現在に至る。人員数は、同年同月現在で259人おり、そのうち200人が研究職である。また、このほかに客員研究員がいる。組織内には地球環境研究センターのほかに、循環型社会・廃棄物研究センター、環境リスク研究センターなどの専門研究機関がある。さらに、環境情報・交流ネットワークであるＥＩＣネットを提供している。
2006年４月からは、第２期中期目標（目標期間：2006〜2010年度）に基づき第２期中期計画を策定。持続可能な社会を構築するため、10年先にあるべき環境や社会の姿及び課題を見越して、「地球温暖化研究プログラム」、「循環型社会研究プログラム」、「環境リスク研究プログラム」、「アジア自然共生研究プログラム」の４つの重点研究プログラムを進めるほか、基盤的調査・研究、知的研究基盤の整備などの環境研究の推進と、環境情報の提供を行っている。また、国立環境研究所のホームページでは、同研究所に関するほとんどすべての基本情報が掲載されているほか、主要な論文も閲覧することができる。さらに、国立環境研究所自体の環境への取り組みは、環境報告書にまとめられて公表されている。
