기술표준·제품안전·인증 총괄기관으로서 국가표준(KS) 총괄 업무, 공산품·전기용품의 안전업무, 시험인증(KORAS)·법정계량제도 정책 수립 및 시행 업무 등을 수행한다.
산업기술 국가기관으로는 최초로 1883년(고종 20) 전환국 소속 분석시험소가 설립되었고, 1907년 농상공부 소관 공업전습소로 관제가 개편되었다. 1910년 조선총독부 공업전습소로 개칭하였다. 1912년 공업전습소는 중앙시험소(공업의 시험·분석·감정업무 관장)에 부치되었다. 1915년 공업전습소를 경성공업전문학교로 이관하였다. 1946년 중앙시험소에서 중앙공업연구소로 개칭하였다. 1949년 상공부 중앙공업연구소가 설치되었다. 이후 1961년 국립공업연구소로 개칭, 1973년 공업진흥청 소속 국립공업표준시험소로 신설되었다. 1976년 국립공업시험원으로 개칭, 1991년 국립공업기술원으로 다시 개칭되었다. 1996년 중소기업청 국립기술품질원으로 개칭되었다.
1999년 국립기술표준원으로 기관명을 변경하였으며 산업자원부 소속을 거쳐 지식경제부 소속 기관으로 되었다. 2013년 12월 국립기술표준원이 국가기술표준원으로 기관명을 변경하였으며 산업통상자원부 소속 기관이 되었다.
기술원에는 원장 1인과 화학부·기계금속부·차세대산업부·표준계량부 및 품질안전부를 두고, 기술원장 소속하에 요업기술원을 두고 있다. 화학부는 유기합성·계면활성·제지기술·도료·고무 및 플라스틱에 관한 사항, 무기합성·표면기술처리·전기화학기술·박막기술 및 촉매응용에 관한 사항 등을 담당한다.
기계금속부는 공구·공작기계·기계설비의 요소부품·유공압기기·건축자재·반도체제조장비·인쇄기·의료기기·사무용기기 및 각종 자본재와 부품에 관한 사항, 식품가공기계·산업기계·광산기계·수송기계·섬유기계·유체유동응용기계·농업기계·건설기계·운반하역기계·연소응용기기·열교환기기·열기기·냉동공조기기 및 생활용품에 관한 사항 등을 담당한다.
차세대산업부는 전자파기술·광응용기술·영상음향기술·반도체응용기술·소프트웨어기술·센서기술·멀티미디어기술 및 전기표준기술에 관한 사항, 디지털 제어기술·전력전자기술·냉난방에너지기술·회전기기응용기술 및 전자의료기기술에 관한 사항 등을 담당한다.
표준계량부는 산업표준화를 위한 조사·연구, 한국산업규격의 제정·개정·확인 및 폐지에 관한 사항, 한국산업규격의 표시허가 및 인증에 관한 사항, 단체표준 및 단체표준품질인증에 관한 사항, 정부규격통일화에 관한 사항, 광공업품 및 그 부품의 통일·단순화에 관한 사항, 국제표준 및 법정계량관련 국제기구와의 교류 및 협력에 관한 사항 등을 담당한다.
품질안전부는 공산품 안전관리에 관한 사항, 수출용원자재 기준소요량의 책정 등 수출지원에 관한 사항, 선진관리기술의 도입·보급 및 전문인력 양성지원, 국가품질상제도의 운영에 관한 사항, 안전검사대상 소비제품의 지정 및 안전검사기준의 제정, 품질표시제도의 운영, 신소재·신제품의 안전성에 대한 기술분석평가 및 조치 등을 담당한다.
요업기술원은 천연요업원료·합성요업원료 및 결정소재에 관한 사항, 도자기·연마재·내화물·유리·법랑제품·시멘트 등 일반 요업제품에 관한 사항 등을 담당한다.
주요 활동은 수출상품과 수입대체품목과 관련된 기술을 중심으로, 중소기업 구조조정을 위한 기술, 자원재활용·에너지 절약 등 자원절약과 환경친화적 기술의 개발 및 보급 등 산업기술의 연구개발을 강화하고 있다. 한편 자본재표준화 및 첨단기술 분야·정보표준화 등 산업의 기초가 되는 산업표준화 활동과 품질경영(QM)인프라 구축과 품질·안전관리의 강화에 주력하고 있다.
이러한 활동을 바탕으로 우리나라 최초의 공업기술에 관한 국내 유일의 국가시험연구기관으로, 산업계에서 필요로 하는 기술을 개발·개량하여 보급하고 산업기술 인프라를 구축하여, 국가의 기술력향상과 우리 상품의 국제경쟁력 강화에 기여한다. 주요 간행물로는 『연구보고』(연1회), 『수탁연구』(연1회), 『공업기술』(분기1회) 등이 있다.
2014년 5월에 충청북도 음성 혁신도시(충청북도 음성군 맹동면 이수로 93)로 이전하였다.