二十世纪九十年代初，为适应我国空间科学发展的需要、发展我国载人航天工程及相关科学研究事业，国家863计划第一届航天领域专家委员会决定组建国家微重力实验室和国家计算流体力学实验室。1994年原国防科工委(现总装备部)原则批准在中国科学院建立“国家微重力实验室”(National Microgravity Laboratory)。1995年正式批文、在中国科学院建立“国家微重力实验室”。1998年国家微重力实验室实验楼建成，国外购置设备和国内自行研制设备相继通过验收。2003年4月总装备部对国家微重力实验室进行了全面验收，实验室工作进入正常运转。国家微重力实验室建设期间，本着“边建设边研究”的原则，积极开展研究工作，抓紧建设和调试落塔，建立各项管理制度，并积极承担中国科学院创新工程重大项目和重要方向性项目、科技部攀登计划、863计划航天领域、国家自然科学基金项目等研究课题，不断积累学术成果，丰富研究领域。九十年代后期，国家微重力实验室负责国家载人航天工程应用系统的论证，并积极承担与微重力科学相关的地基和空间实验任务，取得了重大成果。
国家微重力实验室现已成为我国微重力科学研究的核心实验室，为国家载人航天工程做出了重大贡献，获得集体和个人两项国家科技进步特等奖；参加和组织我国微重力科学的学科发展论证；负责组织并完成实践8号卫星留轨舱系统的微重力科学实验，取得一批重要学术成果；正在负责实践10号科学实验卫星载荷总体和科学研究总体、国家载人航天工程二期应用系统流体物理分系统的工作。鉴于其突出工作业绩，国家微重力实验室获2005年国家人事部和中国科学院联合颁发的先进集体奖，为发展我国微重力科学做出了不可替代的贡献。在学术上进行创新性研究的同时，国家微重力实验室积极参与国际微重力科学活动、开展卓有成效的国际合作与交流，是国际上有重要影响的微重力科学研究中心和用户支持中心。
作为微重力科学研究中心，国家微重力实验室目前的研究领域涉及微重力科学的主要方向，包括微重力流体物理(简单流体的运动、多相流和复杂流体)，微重力燃烧科学(燃烧机理和空间站防火)，空间材料科学(凝固过程、晶体生长和模型化研究)，空间生物技术与生命科学(生物力学、细胞-分子生物学和纳米生物技术)，在流体物理、燃烧、生物力学和先进诊断技术，以及与材料科学和生命科学的交叉与融合等领域开展了有特色的创新性研究工作，2000-2007年期间已在重要学术刊物发表论文374篇，出版专著(章节)12部。同时，国家微重力实验室还与国内基础物理界同行合作，努力促进我国空间基础物理的发展。国家微重力实验室近年来承担了多项国家重大项目，已完成国家载人航天工程、科学实验卫星等空间实验项目11项，并承担中国科学院知识创新工程和大型装备等项目20余项、国家自然科学基金重点和面上项目20余项以及其它研究项目5项，项目经费合计约1.4亿元。在国家重大需求层面，“十一∙五”期间国家微重力实验室已有5项空间实验列入国家载人航天工程(第二期)、7项空间实验列入实践10号卫星计划、2项空间实验列入中俄合作利用国际空间站俄国舱的有人操作实验计划、3项空间实验列入微重力火箭计划。
国家微重力实验室现有固定资产7585万元，引进和自行研制了仪器设备百余台(套)，具备较完善的开展微重力科学地基研究的实验体系，包括开展微重力流体物理研究的流体动力学、分散体系、光学诊断和测试、三维显微粒子图象测速等实验系统；开展微重力热科学研究的两相流、微重力燃烧等实验系统；开展空间材料科学研究的半导体晶体、气相外延、金属合金成核过冷、非透明介质、透明晶体生长等实验系统；开展生物力学和空间生物技术研究的蛋白质晶体生长、空间细胞生长和组织培养、连续流电泳、微管吸吮、激光显微光镊、原子力显微等实验系统；以及开展纳米生物技术研究的光学椭偏成像系统等，共同组成了国家微重力实验室的研究平台。作为微重力科学用户支持中心，国家微重力实验室建成了可进行短时微重力地面实验的百米落塔设施，其中落舱系统的微重力时间为3.5 s、微重力水平可达10-5×g量级，落管系统的微重力时间为3.26 s，微重力水平优于10-6×g, 可为用户提供各种技术支持和服务。
国家微重力实验室将继续以国家重大需求为目标，以积极推进微重力科学与应用研究、促进我国空间科学发展为已任，进一步加强科研、队伍和基础设施的建设，提高实验室的整体科研水平和运行管理水平，使之成为对国内外开放的、国际上一流的微重力研究中心，为国家载人航天工程和空间科学研究做出贡献。
