国家实验室是体现国家意志、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。
2000年底，国家同步辐射实验室等5个首批国家实验室全部通过验收。
2000年至2003年，科技部陆续批准了5个国家实验室的试点（即筹建状态）。
2006年，科技部启动10个国家实验室试点建设。
截至2016年底，在筹建的国家实验室里，除1个国家实验室正式获批成立外，其余14个试点的国家实验室仍处于筹建状态。
2017年11月21日，第二批筹建的国家实验室和首批名单里的1个国家实验室被科技部批准转变为国家研究中心。
截至2022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月消息，上海市政府在新闻发布会上透露，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。
2022年，前身为青岛海洋科学与技术试点国家实验室的崂山实验室正式挂牌组建。
| 号 | 国家实验室名称 | 状态 | 依托单位 | 城市 |
| 1 | 国家同步辐射实验室 | 建成 | 中国科学技术大学 | 合肥 |
| 2 | 正负电子对撞机国家实验室 | 建成 | 中国科学院高能物理研究所 | 北京 |
| 3 | 北京串列加速器核物理国家实验室 | 建成 | 中国原子能科学研究院 | 北京 |
| 4 | 兰州重离子加速器国家实验室 | 建成 | 中国科学院近代物理研究所 | 兰州 |
| 5 | 崂山实验室 | 入轨运行 | 中国海洋大学等 | 青岛 |
| 6 | 磁约束核聚变国家实验室（筹） | 筹建 | 中科院合肥物质科学研究院、 核工业西南物理研究院 | 合肥 |
| 7 | 洁净能源国家实验室（筹） | 筹建 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 大连 |
| 8 | 船舶与海洋工程国家实验室（筹） | 筹建 | 上海交通大学 | 上海 |
| 9 | 微结构国家实验室（筹） | 筹建 | 南京大学 | 南京 |
| 10 | 重大疾病研究国家实验室（筹） | 筹建 | 中国医学科学院 | 北京 |
| 11 | 蛋白质科学国家实验室（筹） | 筹建 | 中国科学院生物物理研究所 | 北京 |
| 12 | 航空科学与技术国家实验室（筹） | 筹建 | 北京航空航天大学 | 北京 |
| 13 | 现代轨道交通国家实验室（筹） | 筹建 | 西南交通大学 | 成都 |
| 14 | 现代农业国家实验室（筹） | 筹建 | 中国农业大学 | 北京 |
| 15 | 中关村国家实验室 | 挂牌成立 | / | 北京 |
| 16 | 怀柔国家实验室 | 挂牌成立 | / | 北京 |
| 17 | 昌平国家实验室 | 挂牌成立 | / | 北京 |
| 18 | 张江实验室 | 挂牌成立 | / | 上海 |
| 19 | 临港实验室 | 挂牌成立 | / | 上海 |
| 20 | 浦江实验室 | 挂牌成立 | / | 上海 |
