1948년 9월 재단법인 한국농업과학연구소로 창립되었고, 1953년 5월에 중앙원예기술원으로 개편되었으며, 1957년 농사원 원예시험장으로 개칭되었다. 1961년 5월 본장을 부산의 동래에서 서울 뚝섬으로 이전하고 동래에는 부산지장을 두었다. 1962년 4월 농촌진흥청 원예시험장으로 기구를 개편하였다. . 2008년 10월에 현재의 국립원예특작과학원으로 개편되었다.
1967년 1월 본장을 서울에서 경기도 수원시 이목동으로 이전하였고, 1970년 6월 나주지장을 신설하였으며, 1973년 7월 경상남도 남해군에 남해출장소를 신설하였다. 1998년 2월 현재 감귤의 시험연구를 위하여 제주 감귤연구소, 사과의 시험연구를 위하여 대구 사과연구소 및 배의 시험연구를 위하여 나주 배연구소가 있다. 2008년 10월 원예연구소에서 국립원예특작과학원으로 개편되었다. 2010년 도시농업팀, 2013년 저장이용팀이 신설되었으며, 2015년 2월에 경기도 수원시에서 전라북도(현, 전북특별자치도) 완주군으로 이전하였다.
2015년 현재 원장 아래 조직으로 2부(원예작물부, 인삼특작부), 11과(채소과, 과수과, 화훼과, 도시농업과, 인삼과, 약용작물과, 버섯과, 기획조정과, 운영지원과, 원예특작환경과, 기술지원과), 2팀(저장유통연구팀, 인삼특작이용팀), 5연구소(온난화대응농업연구소, 시설원예연구소, 사과연구소, 배연구소, 감귤연구소), 1출장소(남해출장소)를 두고 있다.
국립원예특작과학원은 국민적 가치공유를 통한 원예특작산업의 지속적 발전과 경쟁력 향상을 목표로 하여 원예 · 특용작물의 품종개량 및 유전육종법의 개발 · 연구, 원예 · 특용작물의 안정성 · 기능성 향상과 재배방법 개선에 관한 연구, 생산성 증대와 품질 향상 및 생산비 절감에 관한 연구, 병충해 · 바이러스의 진단 · 생태 및 방제에 관한 연구, 시비법(施肥法) 개선과 토양 및 양분 · 수분 관리에 관한 연구, 시설재배 · 환경 및 품질 보전에 관한 연구, 생명공학기술에 의한 원예 · 특용작물의 개발에 관한 연구, 원예 · 특용작물 분야의 기술지원 및 홍보 임무를 수행하고 있다.