정부출연연구기관은 정부가 출연하고 연구를 주된 목적으로 하는 기관이다. 정부가 설립과 운영에 필요한 자금을 지원하지만 법적으로 민간법인인 연구소 형태이다. 1966년 한국과학기술연구소(현 한국과학기술연구원)가 설립되면서 처음 등장했으며, 이후 과학기술 및 사회·경제 분야의 여러 연구소들이 세워지면서 한국을 대표하는 연구소 체제로 자리잡았다. 과학기술 분야 연구기관은 「과학기술분야 정부출연연구기관 등의 설립·운영 및 육성에 관한 법률」로, 그 외 분야는 「정부출연연구기관 등의 설립·운영 및 육성에 관한 법률」에 근거를 두고 있다.
1966년 한국과학기술연구소(현 한국과학기술연구원)가 설립되면서 정부출연연구기관(政府出捐硏究機關)이라는 용어가 처음 만들어졌다. 이는 기존 국공립 연구기관이 인사나 회계 등에서 보였던 관료적 경직성을 극복하기 위해 만들어졌다. 즉, 연구기관에 맞는 자율적이고 창의적인 운영을 하고, 공무원법에 규정된 정원이나 처우에 구애 받지 않고 우수한 연구자를 선발하기 위한 목적으로 정부출연연구기관을 만든 것이다. 그리고 재단 법인에게 정부가 출연금을 지급하는 것에 대한 근거를 마련하기 위해 「한국과학기술연구소 육성법」을 제정하였다. 1970년대 한국과학기술연구소를 모델로 하여 유사한 절차를 밟아 과학기술 및 사회 · 경제 분야 여러 연구소들이 세워지면서 정부출연연구기관은 한국을 대표하는 연구소 체제가 되었다. 이러한 정부출연연구기관은 국가산업 발전에 필요한 기술을 개발하고, 관련 정책 수립을 지원하며, 경제 및 사회 발전을 위한 부처별 싱크탱크 역할을 하기 위해 설립되었다. 정부출연연구기관 중 과학기술 분야 연구기관은 「정부출연연구기관 등의 설립 · 운영 및 육성에 관한 법률」에 근거를 두고 있으며, 그 외의 분야는 「정부출연연구기관 등의 설립 · 운영 및 육성에 관한 법률」에 근거를 두고 있다.
한국과학기술연구소에 이어 한국과학기술정보센터(현 한국과학기술정보연구원), 국방과학연구소, 한국과학원(현 한국과학기술원), 한국개발연구원 등도 모두 법인으로 설립되고, 육성법을 통해 정부 지원의 근거를 마련하였다. 1973년 대덕연구단지 건설이 확정되고, 여러 부처들이 전문 산업 분야별로 정부출연연구기관을 설립하기로 하였다. 이에 정부는 「특정연구기관육성법」을 제정하고, 시행령에 신설되는 연구기관을 명시하여 지원 근거를 마련하였다. 이에 따라 1980년 하반기에 1개 부설 기관을 포함해 모두 19개의 과학기술 분야 정부출연연구기관이 설립되었다. 또한 1970년대 설립된 한국보건개발연구원(현 한국보건사회연구원), 한국교육개발원, 국제경제연구원(현 산업연구원), 국토개발연구원(현 국토연구원), 한국농촌경제연구원 등의 사회 · 경제 분야 연구소도 법인으로 설립되어 육성법을 통해 지원 근거를 마련하였다.
1980년대부터 정부가 추진하는 국가연구개발사업(國家硏究開發事業)이 시작되었으며, 정부출연연구기관은 국가연구개발사업의 중심 추진 주체가 되었다. 이후 유전공학 등 새로운 첨단 분야와 기초과학 분야의 연구기관이 새롭게 설립되었으며, 경제 · 정책 이외 분야의 여러 연구기관도 세워졌다. 1999년 정부는 정부출연연구기관의 경영 혁신을 위해 「정부출연연구기관 등의 설립 및 운영에 관한 법률」을 제정하고, 개별 연구기관 설치 근거법을 폐지하면서 정부출연연구기관의 관리 · 감독 기능을 국무총리실이 총괄하게 하였다. 이는 주관 부처의 과도한 간섭과 단독 활용을 지양하고 다부처가 공동으로 활용하며, 연구기관이 독립적으로 운영될 수 있도록 주무 부처와의 관계를 합리적으로 재설정한다는 취지였다. 이에 따라 기초기술연구회, 산업기술연구회, 공공기술연구회, 경제사회연구회, 인문사회연구회 등 5개 연구회가 설치되었다. 과학기술 분야의 경우 한국과학기술원, 한국원자력연구소, 한국과학재단, 한국과학기술평가원 등 교육 연구기관과 원자력 관련기관, 사업관리 및 지원 기능을 지닌 8개 기관만 과학기술부가 관리하고 나머지 정부출연연구기관은 기능에 따라 기초기술연구회, 공공기술연구회, 산업기술연구회로 소관 업무가 이관되었다. 인문 · 사회 · 경제 분야의 연구기관은 경제사회연구회와 인문사회연구회에 속하게 되었다. 2004년 정부는 「과학기술 분야 정부출연연구기관 등의 육성 · 지원법」을 제정하여 과학기술 분야 3개 연구회를 국무총리실 산하에서 과학기술혁신본부로 이관하였다. 이는 과학기술정책, 연구개발 및 사업, 과학기술혁신 관련 산업정책의 조정 등을 위해 과학기술 정부출연연구기관 육성 및 지원 사항을 일원화함으로써 연구기관과 정부 정책의 연계를 강화하기 위한 목적을 지녔다. 그리고 2005년 경제사회연구회와 인문사회연구회가 경제 · 인문사회연구회로 통합되었다.
2008년 공공기술연구회가 폐지되면서 기초기술연구회는 교육과학기술부가, 산업기술연구회는 지식경제부가 관장하는 이원 관리 체제가 도입되었다. 그리고 2013년 기초기술연구회와 산업기술연구회가 미래창조과학부 산하로 이관된 다음 2014년 6월 양 연구회가 통합되어 국가과학기술연구회가 발족해 현재에 이르고 있다. 이에 따라 현재 정부출연연구기관 연구회 체제는 국무총리실 산하의 경제 · 인문사회연구회의 26개 연구기관(한국보건사회연구원, 한국개발연구원, 한국교육개발원, 산업연구원, 한국농촌경제연구원, 국토연구원, 한국여성정책연구원, 정보통신정책연구원, 에너지경제연구원, 과학기술정책연구원, 한국교통연구원, 한국노동연구원, 한국형사 · 법무정책연구원, 한국청소년정책연구원, 대외경제정책연구원, 한국법제연구원, 통일연구원, 한국행정연구원, 한국조세재정연구원, 한국환경연구원, 한국해양수산개발원, 한국직업능력연구원, KDI국제정책대학원, 한국교육과정평가원, 육아정책연구소, 건축공간연구원)과 과학기술정보통신부 산하 국가과학기술위원회의 총 25개의 과학기술 분야 연구기관( 한국과학기술연구원, (부설)국가녹색기술연구소, 한국기초과학지원연구원, 한국천문연구원, 한국생명공학연구원, 한국과학기술정보연구원, 한국한의학연구원, 한국생산기술연구원, 한국전자통신연구원, (부설)국가보안기술연구소, 한국건설기술연구원, 한국철도기술연구원, 한국표준과학연구원, 한국식품연구원, (부설)세계김치연구소, 한국지질자원연구원, 한국기계연구원, 한국항공우주연구원, 한국에너지기술연구원, 한국전기연구원, 한국화학연구원, (부설)안전성평가연구소, 한국원자력연구원, 한국재료연구원, 한국핵융합에너지연구원)으로 운영되고 있다.
정부가 설립과 운영에 필요한 자금을 지원하지만 법적으로 민간 법인인 정부출연연구기관은 설립 이후 시대가 요구하는 목적 달성에 기여하면서 성장해왔다. 경제 발전 추진 과정에서 과학기술 분야 정부출연연구기관은 과학기술 기반을 구축하고 산업화에 필요한 기술을 개발해 왔으며, 사회 · 경제 분야의 정부출연연구기관은 국가의 주요 정책 과제를 연구 · 분석하고 정부 개발에 활용되는 지식을 생산하면서 한국 사회 발전의 한몫을 담당해왔다.
과학기술 분야 정부출연연구기관은 국가의 중요한 연구개발 주체로서, 과학기술 분야에 대한 정부의 투자는 정부출연연구기관의 설립 · 운영을 통해 본격화되었고, 국가연구개발사업도 정부출연연구기관이 주된 행위자가 되어 추진되었다. 그러한 투자 속에서 연구개발투자, 연구개발인력, 그리고 연구개발과 관련된 각종 양적 지표는 꾸준히 상승하였으며, 그동안 한국의 대표적 과학기술 연구개발 성공 사례로 꼽히는 성과들을 만들어냈다.
1966년 첫 등장 이후 정부출연연구기관은 한국의 과학기술 발전과 산업 발전에 다양한 기여를 하였다. 사회 · 경제 분야의 연구기관들은 국가 성장 발전의 축, 국가 법정기본계획, 국정과제 수립 · 점검, 핵심 국책사업 점검 · 평가 등 국가 운영의 근간이 되는 정책 개발 통해 국가 싱크탱크로서의 임무와 역할을 담당하였다.
정부출연연구기관은 정부연구개발 예산의 약 40%를 집행하는 주요 연구개발 주체로서 혁신성과 창출을 통한 경제성장의 한 주역이다. 경제 · 인문사회 정부출연연구기관의 예산은 정부연구개발 예산의 2% 수준에 불과하지만, 다양한 연구 분야의 국가 미래 전략 비전을 제시하고, 관련 부처의 정책 연구를 지원하는 기능을 수행하고 있다.
하지만 대학과 기업의 연구 역량이 높아지면서 정부출연연구기관과 이들이 불필요한 경쟁을 하고 있거나 역할이 중복된다는 논란이 계속되고 있다. 그럼에도 불구하고, 국가 차원에서 새로운 지식을 창출하고 이를 효과적으로 확산시키기 위해서는 다양한 연구개발 주체들이 정보와 지식을 교류할 수 있는 장(場)이 필요하고, 이러한 국가 지식 허브의 역할은 다양한 주체들을 조정하고 연계시킬 수 있는 정부출연연구기관이 담당하는 것이 적절하다. 이를 통해 정부출연연구기관은 국가전략기술의 고도화 또는 사회문제의 해결 등과 같은 국가적 의제에 대해 적극적으로 대응하여 국민 삶의 질 제고, 인류 사회 발전에 이바지하는 등의 차별화된 임무를 수행하기 위해 노력하고 있다.