ในปี พ.ศ. 2434 ได้มีการจัดตั้งหน่วยวิเคราะห์แร่ / สถานปฏิบัติการวิเคราะห์แร่ ในสังกัดกรมราชโลหกิจและภูมิวิทยา กระทรวงเกษตราธิการ และในปี พ.ศ. 2445 งานส่วนหนึ่งของหน่วยวิเคราะห์แร่ ได้โอนไปสังกัดกรมกระษาปณ์สิทธิการ กระทรวง พระคลังมหาสมบัติ เพื่อควบคุมดูแลเนื้อโลหะที่ใช้ในการทำเหรียญกระษาปณ์ ต่อมาในปี พ.ศ. 2446 งานของหน่วยวิเคราะห์แร่ทั้งหมดได้โอนจากกรมราชโลหกิจฯ ไปขึ้นกับกรมกระษาปณ์สิทธิการ กระทรวงพระคลังมหาสมบัติ และได้รับการยกฐานะขึ้นเป็นกองแยกธาตุ ในปี พ.ศ. 2448 ทำหน้าที่วิเคราะห์แร่ควบคู่กับการควบคุมเนื้อโลหะที่ใช้ในการทำเหรียญกษาปณ์ด้วย พ.ศ. 2460 กองแยกธาตุได้โอนไปขึ้นกับกรมพาณิชย์ และสถิติพยากรณ์ กระทรวงพระคลังมหาสมบัติ ในปี พ.ศ. 2461 กระทรวงพระคลังมหาสมบัติได้รวมเอางานวิทยาศาสตร์ที่ทำอยู่ในที่ต่างๆ มาไว้เป็นแห่งเดียวกัน จัดตั้งเป็นศาลาแยกธาตุ (Government Laboratory) ในปี พ.ศ. 2468 ศาลาแยกธาตุได้รับการยกฐานะขึ้นเป็นหน่วยงานเทียบเท่าระดับกรม และได้ย้ายสังกัดมาอยู่กระทรวงพาณิชย์ และคมนาคม ซึ่งจัดตั้งขึ้นใหม่

     ในปี พ.ศ. 2475 ศาลาแยกธาตุได้ยกฐานนะขึ้นเป็นกรมวิทยาศาสตร์ สังกัดกระทรวงเกษตรพาณิชย์การ โดยโอนกองเกษตรศาสตร์ที่สังกัดอยู่ในกรมตรวจกสิกรรมมารวมกับศาลาแยกธาตุ ดร.ตั้ว ลพานุกรม ได้รับการแต่งตั้งเป็นอธิบดีกรมวิทยาศาสตร์ท่านแรก พ.ศ. 2476 กรมวิทยาศาสตร์ ได้ย้ายไปสังกัดในกระทรวงเศรษฐการตลอดระยะเวลาที่ ดร.ตั้ว ลพานุกรม ดำรงตำแหน่งอธิบดี ท่านได้ขยายขอบเขตและปริมาณงานของกรมฯ เพิ่มมากขึ้น ได้มีการสร้างเสริมตึกที่ทำการเดิมที่ถนนมหาราชจากอาคารชั้นเดียวให้เป็นสองชั้น และสร้างตึกใหม่เพิ่มเติมอีกหนึ่งหลังในบริเวณเดียวกัน ตั้งแต่มีการเปลี่ยนแปลงเป็นกรมวิทยาศาสตร์แล้ว ได้มีความเคลื่อนไหวในทางก้าวหน้าหลายประการ เช่น จัดตั้งกองเภสัชกรรม สำหรับวิจัยเกี่ยวกับพืชผลในประเทศเพื่อใช้เป็นยา จัดตั้งสถานศึกษาเคมีปฏิบัติ เพื่อสอน และฝึกเจ้าหน้าที่วิทยาศาสตร์ไว้ปฏิบัติงาน ขยายงานห้องสมุดให้มีวารสารและตำราเพิ่มขึ้น ออกหนังสือพิมพ์วิทยาศาสตร์ เพื่อส่งเสริมและเผยแพร่ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ให้แก่ประชาชน ออกวารสารภาษาอังกฤษชื่อว่า Siam Science Bulletin เพื่อเผยแพร่งานวิจัยที่ทำในประเทศไทย และเพื่อแลกเปลี่ยนกับวารสารทางวิทยาศาสตร์ของต่างประเทศ

     ในปี 2485 ได้มีการปรับปรุงกระทรวง ทบวงกรมใหม่ ตามนโยบายของรัฐบาล กรมวิทยาศาสตร์ได้โอนมาสังกัดกระทรวงอุตสาหกรรม ซึ่งได้จัดตั้งขึ้นใหม่ กองเภสัชกรรมและกองเกษตรศาสตร์ ซึ่งสังกัดอยู่ในกรมวิทยาศาสตร์ขณะนั้น ได้โอนไปสังกัดกรมวิทยาศาสตร์การแพทย์ กระทรวงสาธารณสุข และกรมเกษตร กระทรวงเกษตราธิราช ตามลำดับ และได้มีการจัดตั้งกองใหม่ในกรมวิทยาศาสตร์ คือ กองค้นคว้าอุตสาหกรรม

     กรมวิทยาศาสตร์ได้ย้ายมาปฏิบัติงานที่ถนนพระรามที่ 6 เมื่อ พ.ศ. 2496 และมีการเริ่มงานทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ ทั้งด้านปฏิบัติและด้านนโยบายหลายเรื่อง เช่น มี การจัดตั้งสภาวิจัยแห่งชาติขึ้นตาม พ.ร.บ. สภาวิจัยแห่งชาติ พ.ศ. 2499 ซึ่งกำหนดให้อธิบดีกรมวิทยาศาสตร์เป็นเลขาธิการสภาวิจัยแห่งชาติโดยตำแหน่ง เมื่อ พ.ร.บ.สภาวิจัยแห่งชาติ พ.ศ. 2502 ประกาศใช้มีผลให้อธิบดีกรมวิทยาศาสตร์พ้นจากตำแหน่งเลขาธิการ สภาวิจัยแห่งชาติจึงได้ย้ายที่ทำการไปอยู่ในทำเนียบรัฐบาลและถนนพหลโยธิน ตามลำดับ และได้รับงานจัดพิมพ์ Science Bulletin โดยใช้ชื่อใหม่ว่า Journal of the National Research Council of Thailand มีการจัดตั้งสำนักงานพลังงานปรมาณูเพื่อสันติขึ้น เพื่อดำเนินการในรูปของคณะกรรมาธิการ โดยมีสำนักงานอยู่ในกรมวิทยาศาสตร์ และเมื่อมีพ.ร.บ.พลังงานปรมาณูเพื่อสันติขึ้นเมื่อ พ.ศ. 2504 จึงได้จัดตั้งสำนักงานขึ้นเป็นหน่วยงานระดับกรม และย้ายออกจากกรมวิทยาศาสตร์ในปี พ.ศ. 2505 มีการจัดตั้งองค์การสารส้มในปี พ.ศ. 2496 มีการก่อสร้างโรงงานสารส้มและผลิตสารส้มได้ในปีพ.ศ. 2498 โรงงานสารส้มได้โอนไปขึ้นตรงต่อกระทรวงอุตสาหกรรม ในปีพ.ศ. 2520 ตามพระราชกฤษฎีกาจัดตั้งองค์การสารส้ม นอกจากนั้น งานมาตรฐานอาหารระหว่างประเทศซึ่งเป็นงานหนึ่งในกองวิทยาศาสตร์ชีวภาพได้รับการยกฐานะเป็นสำนักงานคณะกรรมการแห่งชาติว่าด้วยมาตรฐานอาหารระหว่างประเทศ งานด้านมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม ซึ่งป็นงานที่ริเริ่มอยู่ในกองฟิสิกส์และวิศวกรรมได้รับการยกฐานะขึ้นเป็นสำนักงานระดับกรมมีชื่อว่า สำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม โดยได้รวมงานสำนักงานคณะกรรมการแห่งชาติว่าด้วยมาตรฐานอาหารระหว่างประเทศไว้ด้วย ตลอดระยะเวลาที่ผ่านมา งานที่กรมวิทยาศาสตร์ให้ความสำคัญและพยายามปรับปรุงควบคู่ไปกับงานบริการวิเคราะห์วิจัย คือ งานบริการห้องสมุด ทั้งนี้เพราะตระหนักดีว่า การปฏิบัติงานทางวิทยาศาสตร์และการใช้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการพัฒนาประเทศนั้น จำเป็นต้องมีแหล่งที่จะสามารถศึกษาหาความรู้ได้ในขอบเขตที่กว้างขวางมาก ด้วยเหตุนี้ห้องสมุดของกรมวิทยาศาสตร์จึงมีความแตกต่างจากห้องสมุดของหน่วยงานอื่นๆ เป็นอันมาก อย่างเห็นได้ชัด และในปี 2521 งานห้องสมุดและเผยแพร่ ได้ยกฐานะขึ้นเป็นหน่วยงานระดับกองเพื่อให้เหมาะสมกับงานที่ได้ปฏิบัติอยู่ ได้ใช้ชื่อว่า กองสนเทศวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

     พ.ศ. 2522 มีการจัดตั้งกระทรวงวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและการพลังงาน กรมวิทยาศาสตร์ได้ย้ายมาสังกัดกระทรวงวิทยาศาสตร์และเปลี่ยนชื่อมาเป็นกรมวิทยาศาสตร์บริการ ในปี พ.ศ. 2535 กระทรวงวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและการพลังงานได้เปลี่ยนชื่อเป็นกระทรวงวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม ในปี พ.ศ. 2540 งานด้านมาตรวิทยาแห่งชาติที่ริเริ่มและดำเนินการอยู่ในกองฟิสิกส์และวิศวกรรม ได้จัดตั้งเป็นสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ ตามพ.ร.บ. พัฒนาระบบมาตรวิทยาแห่งชาติ และจากการปฏิรูประบบราชการในปี พ.ศ. 2545 กระทรวงวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม ได้เปลี่ยนชื่อเป็นกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี กรมวิทยาศาสตร์บริการยังคงอยู่ภายใต้สังกัดกระทรวงที่เปลี่ยนชื่อใหม่

   กรมวิทยาศาสตร์บริการ ได้ย้ายมาสังกัดในกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม  ที่มีการจัดตั้งตามพระราชบัญญัติ ระเบียบบริหารราชการกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม พ.ศ. 2562 โดยพรบ.นี้มีผลบังคับใช้ตั้งแต่วันที่ 2 พฤษภาคม 2562 เป็นต้นไป