国家实验室，属于科学与工程研究类国家科技创新基地，体现国家意志、实现国家使命、代表国家水平的战略科技力量，是面向国际科技竞争的创新基础平台，是保障国家安全的核心支撑，是突破型、引领型、平台型一体化的大型综合性研究基地。

2003年11月25日，国家科技部批准北京凝聚态物理等5个国家实验室筹建。

2006年12月5日，科技部召开国家实验室工作通气会，决定扩大国家实验室试点，启动海洋、航空航天、人口与健康、核能、新能源、先进制造、量子调控、蛋白质研究、农业和轨道交通等10个重要方向的国家实验室筹建工作。

2007年8月15日至16日，为帮助新建实验室熟悉国家重点实验室相关政策和规定，促进实验室建设，提高实验室运行管理水平，化学、数理、信息、材料、工程领域2003-2006年新建国家重点实验室管理研讨会在长春市分批召开。

2014年1月，2003年后试点的15个国家实验室中，青岛海洋科学与技术国家实验室正式获科技部批组建。

截至2021年1月，北京已成立挂牌成立中关村国家实验室、怀柔国家实验室、昌平国家实验室。

2022年9月20日，上海市政府举行“奋进新征程 建功新时代”党委专题系列新闻发布会。会上透露， 张江实验室、临港实验室、浦江实验室3个国家实验室率先挂牌成立并加快建设运行。

国家实验室，体现国家意志、实现国家使命、代表国家水平的战略科技力量，是面向国际科技竞争的创新基础平台，是保障国家安全的核心支撑，是突破型、引领型、平台型一体化的大型综合性研究基地。

国家实验室应成为开放的国家公共实验研究平台。国家实验室应拥有先进完善的实验研究平台，为多学科交叉提供支撑。科研仪器统一管理，对国内外开放使用。鼓励国家实验室自主研制先进仪器设备和研发测量分析方法。国家实验室内部应注重学术交流；并以先进的装备和良好的学术气氛、学术地位吸引国内外优秀科学家来实验室开展独立或合作研究，努力建立“以我为主，广泛合作”的国际合作新模式，成为在国际相关领域有重要影响的研究基地。

国家实验室实行国家相关部门、地方乃至社会力量共同建设、共同支持、共同管理的新体制，由国家相关部门、地方政府代表和本领域著名科学家组成的理事会决策国家实验室重大事宜。科技部将积极筹措经费，支持国家实验室建设。教育部“211工程”、“985工程”，中科院“知识创新工程”等要对国家实验室建设予以重点支持。鼓励地方、企业等以多种方式参与国家实验室建设。多方支持，共建共管。国家实验室实行国际专家评估制度。

国家实验室要把吸引、聚集和培养国际一流人才作为重要任务。国家实验室要把吸引、聚集和培养国际一流人才作为重要任务，积极参与国际人才竞争，千方百计吸引和选拔一流人才到国家实验室工作。国家实验室主任和主要学科带头人实行国际公开招聘。要注重科研团队的培育，努力形成一批规模大，年龄和知识结构合理，有凝聚力、有活力的创新团队。要制定有针对性的聘任、考评、激励制度与机制，培养和稳定一批高水平实验技术人员。

国家实验室以国家现代化建设和社会发展的重大需求为导向，开展基础研究、竞争前高技术研究和社会公益研究，积极承担国家重大科研任务，产生具有原始创新和自主知识产权的重大科研成果，为经济建设、社会发展和国家安全提供科技支撑，对相关行业的技术进步做出突出贡献。国家实验室要面向国际科技前沿，凝炼发展目标和研究方向，开展原创性、系统性科学研究，攀登世界科学高峰。

国家实验室依托一级法人单位建设，是具有相对独立的人事权、财务权的科研实体。实行实验室主任负责制，以围绕重大科技问题组成的若干科学研究单元和公共技术支撑平台为基本组织结构。实行国际接轨的学术管理制度，以竞争和流动为核心的人事管理制度及科学合理的分配激励制度。实行岗位聘任制和任期制。

要有效整合科技资源，把科技创新的精华力量和高水平实验平台纳入国家实验室。依托研究型大学建设的国家实验室，一般应建在校园之内，充分发挥高校人才资源丰富、学科门类齐全、科研与教学相结合的优势，成为学校相对集中的科研区和高层次实验研究平台；依托科研院所建设的国家实验室，要与基础类科研院所的体制改革有机结合，为建设新型国立科研机构奠定基础。

国家实验室要有一定的规模，但同时也要实事求是，不搞拼凑和拼盘。要围绕主要发展方向，依托现有基础，对现有相关实验室进行有机整合，逐步发展。

第二批国家实验室仅仅作为扩大试点，没有经过批准立项；国家实验室的验收标准迄今还存在争论；加上体制问题，导致第二批国家实验室“筹”字难除。

科技部基础司基建处的卞松保表示：国家实验室基本都处于筹建状态，“国家实验室是一个新鲜事物，也是最近几年才逐渐开始摸索和探索。其验收是否符合国家实验室的标准，涉及方方面面，政府、科技界、产业界和实验室等不同层面都要认真梳理、清晰定位，这个标准目前也还有一定争论。”

全国政协常委、清华大学化学工程系教授王梅祥表示：“目前，国家实验室在国家创新体系中的定位和与依托单位的关系尚不明确，国家对国家实验室建设的财政支持机制也尚未建立和健全，对部分国家实验室的财政支持力度不足，造成国家实验室在筹建之后遭遇‘愁建’，而这些又导致了国家实验室对国家重大项目的主导和引领作用得不到很好的发挥，这些都是亟待解决的问题。”。