본원과 4개 지원으로 조직되어 있었다. 본원은 충청남도 천원군 성환읍(현재의 천안시)에 있었으며, 지원으로는 대전지원(충청남도 대덕군 진잠면 학하리) · 사천지원(경상남도 사천군 용현면 선진리) · 대관령지원(강원도 평창군 도암면 차항리) · 남원지원(전라북도 남원시 운봉읍 용산리)이 있었다.
본원은 원래 일본인 아카기[赤城鐵馬]가 세운 성환목장으로서 1915년 종마(種馬) 생산을 위하여 소규모 목장을 설립하였고, 그 뒤 1928년에 젖소가 도입되어 낙농사업도 겸했다. 이 성환목장은 1947년 국립으로 이관되어 농사개량원 성환축산시험장으로 바뀌었다.
1958년에는 농촌진흥청 축산시험장으로 개편되어 축산연구와 조사기관으로서 20여년 간 운영되어 오다가, 1960년대 말부터 축산물의 수요가 급증하게 되자 종축개량 및 보급의 시대적 필요성에 따라 1969년 농림부 직속의 국립종축장으로 개편되었다.
그 뒤 1984년에 국립종축원으로 개칭되었다. 1994년 12월 농촌진흥청 축산시험장과 고령지시험장 축산과를 통합하여 농촌진흥청 축산기술연구소로 통폐합하였다. 품종이 우수한 젖소 · 종돈(種豚) · 종계(種鷄) · 종토(種兔)를 생산하여 양축농가에 보급하였다.
대전지원은 우수종계 보급을 위한 원원종계(原原種鷄)를, 사천지원은 영남 · 호남지역에 종돈보급을 위한 원종돈을 보유하였다. 대관령지원은 높이 1,000m 고지의 초지 350ha를 보유하고 1974년에 한 · 뉴질랜드육우시범목장(韓뉴질랜드肉牛示範牧場)을 설립하여 공동운영하다가 1978년에 인수하여 육우의 생산사업을 하였다.
남원지원은 지리산 산록의 초지 700ha를 확보하고 1972년부터 한 · 호주면양시범목장(韓濠洲緬羊示範牧場)을 운영하다가 1976년 단독 인수한 뒤 면양 및 한우 개량사업을 하였다.
종축생산은 지난 1970년부터 1985년까지 젖소 4,500두, 육우 1,700두, 종돈 8만 두, 면양 1만 6800두, 종토 33만 5600두, 종계 159만 6천 수와 우수한 젖소의 종모우정액(種牡牛精液) 53만 4000개를 생산하여 전국에 보급함으로써 가축개량 및 농가소득에 크게 이바지하였다.
국립종축원이 1994년 농촌진흥청 축산기술연구소로 통폐합되었으며 축산기술연구소는 2008년 10월 국립축산과학원으로 개편되었다. 2015년 3월 전북혁신도시로 청사를 이전하였다.
2023년 현재, 조직은 2부(축산생명환경부, 축산자원개발부) 13과(기획조정과, 운영지원과, 기술지원과, 가축질병방역과, 동물바이오공학과, 동물유전체과, 축산물이용과, 축산환경과, 동물영양생리과, 가축개량평가과, 낙농과, 양돈과, 초지사료과,) 1팀(동물복지연구팀) 1센터(가축유전자원센터) 3연구소(한우연구소, 가금연구소, 난지축산연구소)로 구성되어 있다.