행정안전부 소속의 책임운영기관이다. 원장은 소관 사무를 관장하며 소속직원을 지휘, 감독한다. 연구원은 관공서 또는 공무원의 요청에 응하여 범죄수사에 필요한 감식을 할 수 있다.
1935년 4월 경기도 경찰부 형사과에 법의학·이화학(물리학과 화학) 및 형사사진실이 설치되었고, 광복 후 1948년 11월 내무부 치안국에 감식과를 설치하고 법의학계·이화학계 및 지문계를 두었다.
1955년 3월 「국립과학수사연구소직제」가 제정, 공포되어 지문감식사무는 치안국 수사지도과 감식계에서, 법의학 및 이화학적 감식사무는 국립과학수사연구소에서 관장하게 되었다.
1962년 1월 직제가 확대개편되어 서무과·법의학과·이화학과의 3과가 설치되었다. 1987년 5월 직제가 개정되어 서무과·법의학1과·법의학2과·이화학1과·이화학2과·이화학3과 등 6과를 두었다.
1997년 1월 당시 수석연구관과 법의학부에 법의학·생물학·범죄심리·문서사진 등 4개과, 법과학부에 약독물·마약분석·화학분석·물리분석 및 교통광학 등 5개과 등으로 조직되어 있었다.
법의학과는 범의(犯意)·병리·경조직 등을 연구하고 부검을 관리하며, 생물학과는 면역과 혈청을 연구하고 유전자를 분석하며, 범죄심리학과는 범죄분석과 허언을 탐지하고, 문서사진과는 문서를 감정하고 형사사진을 분석·관리한다.
약독물관리과는 약물과 식품을 연구하고 독물 및 기기를 분석하며, 마약분석과는 마약·향정액 및 환각물질을 연구하고, 화학분석과는 고분자·유기학·무기학을 연구하며, 물리분석과는 물리·음성 및 총기를 연구하고, 교통광학과는 차량과 역학을 연구한다.
연구원의 직원은 범죄수사에 종사하지 못하며 이해관계를 가진 사범에 관하여는 감식을 할 수 없다. 연구업무에 종사하는 공무원은 개별 또는 공동으로 연구실적을 보고하여야 한다.
2010년 8월에 연구원으로 승격되어 국립과학수사연구원으로 기관명을 변경하였다. 2013년 11월에 국립과학수사연구원이 강원도 원주 혁신도시(강원도 원주시 입춘로 10)로 이전하였으며, 같은 해 12월에 대구과학수사연구소를 개소하였다.
2018년 8월 현재 원장의 하부조직으로 행정지원과, 연구기획과, 법생화학부(법유전자과, 법독성학과, 법화학과), 법공학부(법안전과, 디지털분석과, 교통사고분석과, 법심리과), 중앙법의학센터(법의관) 등과 함께, 지방에 과학수사연구소(서울, 부산, 대구, 광주, 대전)를 두고 있다.