1953年，中国科学院决定在北京筹建综合性的化学研究所。包括杨石先、曾昭抡、庄长恭等一批著名科学家和管理专家在内的筹备组，对所址选择、研究方向、研究所组织、实验室建设、研究人员聘请等都做了详细的计划。参与筹备工作的知名化学家包括柳大纲、黄子卿、吴学周、汪猷、张青莲、黄耀曾、蒋明谦、梁树权、王葆仁、邢其毅、冯新德等。

　　在几十年的发展过程中，先后以化学所的某些学科方向为主组建了青海盐湖所（1965年）、感光化学所（1975年）和生态环境中心（1975年）；成都有机所成立时吸纳了化学所的十几位业务骨干；化学所有机氟的工作于1963年并入上海有机所。 1994 年，化学所成为国家科技部和中国科学院基础性研究改革试点单位之一；1998年，化学所被列为首批进入中国科学院创新工程试点的单位之一；1999年，中国科学院分子科学中心成立；2003年，科技部批准化学所与北京大学共同筹建北京分子科学国家实验室；2015年，中国科学院分子科学科教融合卓越创新中心成立；2018年，北京分子科学国家研究中心正式成立。

　　以基础研究为主，有重点地开展国家急需的、有重大战略需求的高技术创新研究，并与高新技术应用和转化工作相协调发展的多学科、综合性研究所。

　　围绕化学科学的核心科学问题，面向国家战略和可持续发展需求，开展基础性、战略性和前瞻性研究，成为国内外具有重要影响的分子科学研究基地和支撑国家可持续发展的重要战略科技力量之一，进入国际一流化学研究机构前列。

　　在功能pi-体系的分子工程、纳米绿色印刷制造与表界面纳米功能材料、高性能高分子材料等领域取得原始创新成果和关键技术突破，引领绿色碳科学、环境分子科学、化学储能与能量转化、化学成像与活体分析、仿生智能与医用材料等前沿交叉方向发展。