21세기 지식 기반 경제의 국제 사회에 대응하고, 고부가가치 신산업 창출의 기반을 마련할 수 있는 원천 기술(generic technology)을 개발하는 것으로 목적으로 한다.
1990년대의 선도기술개발사업(G7 프로젝트)이 제품의 개발에 초점이 맞추어져 있었다면, 21세기 프론티어사업은 신제품 개발에 활용될 원천 기술의 확보를 목표로 삼았다. 이전의 대형 국가 연구 개발 사업들에 비해 기초 연구를 수행하는 대학에 대한 연구비 지원이 크게 증가하였다는 특징이 있다. 세계 최고 수준의 원천 기술 확보를 위해 연구 개발 거점을 구축하고, 이를 중심으로 대규모 융합 연구를 추진할 것을 표방하였다. 1999년을 시작으로 연차적으로 착수된 총 22개의 사업단은 연간 80~100억 원의 연구비를 10년간 지원 받았으며, 이 중에서 5개 사업단은 산업자원부에, 1개 사업단은 정보통신부에 이관되어 16개의 사업단이 과학기술부 소관으로 연구를 수행하였다.
1992년부터 시행되고 2001년에 종료될 선도기술개발사업(G7 프로젝트)의 후속 대형 연구 개발 사업으로 과학기술부는 21세기 프론티어사업의 계획에 착수하였다. 1999년 과학기술부는 산업계, 학계, 정부 출연 연구소의 전문가들로 구성된 21세기 프론티어사업 추진 기획 위원회를 구성하였다. 이 위원회는 21세기 유망 산업, 기술에 대한 예측 조사 및 현장 의견 수렴을 거쳐 후보 사업 도출 작업을 수행하였다.
구체적인 사업 단장을 선정하는 과정에서 선정 절차가 바뀌고 21세기 프론티어사업 추진 기획 위원회가 해산되는 소동이 있었다.
2013년 21세기 프론티어사업이 종료되고, ‘글로벌 프론티어 사업’이 후속 국가 연구 개발 사업으로 시행되었다.