구 경성제국대학 부속 생약연구소로 1939년 12월 개성(開城)에서 처음 출발하였으며, 1946년 서울대학교 출범과 더불어 서울대학교 생약연구소로 개편되었고, 1992년 3월 서울대학교 천연물과학연구소로 명칭을 변경하여 현재에 이르고 있다.
1998년 3월 천연물과학 대학원협동과정(석사·박사 과정)을 신설하여 천연물과학 분야의 인재 양성을 또한 담당하고 있다.
연구소에는 천연물화학연구부·생물활성연구부·자원개발연구부·산업기술연구부·자원식물재배시험장 및 기기관리실·방사선동위원소실·실험동물관리실·천연물문헌정보실·행정실을 두어 전임교수 11명, 조교 6명, 특별연구원 10여 명, 연구보조원 30여 명, 대학원생 40여 명의 교육과 연구활동을 지원하고 있다.
천연물문헌정보실에는 정기간행물 50여 종, 단행본 5,000여 권의 천연물과학분야 도서를 확보하고 있으며, 자원식물재배시험장에는 국내 최다 식물표본원이 조성되어 있고, 표본실에는 한국·중국 및 세계 각국에서 수집한 식물 및 생약표본을 소장하고 있어 국내외 천연물과학자들에게 중요한 정보를 제공하고 있다.
연구사업으로서 유용 천연물질 개발을 위한 기초·기반 학문의 구축, 천연물자원으로부터 천연물 성분물질의 분리, 화학구조의 구명, 생물활성의 탐색, 작용기전의 구명, 효과적인 생산 및 제조방법의 탐구 등을 통한 신의약품·신농약 등의 개발연구를 담당하고 있다.
1962년부터 1992년까지 매년 ≪생약연구소 업적집≫을 발간하였고, 이후 매년 ≪천연물과학 논총≫을 발간하고 있으며, 각종 심포지엄·세미나·워크숍의 회의록을 영문으로 간행하였다.
현재 세계보건기구(WHO) 전통약물연구협력센터, 국제연합교육과학문화기구(UNESCO)의 동남아지역 천연물화학연구센터, 한·중(韓中)전통동양약물협력연구센터로 지정되어 국내외 학자들과의 공동연구 및 훈련을 담당하고 있다.