호남평야의 중심지인 전라북도(현, 전북특별자치도) 익산시 송학동에 있었다. 1930년 농사시험장 남선지장으로 설치된 이래 1963년에는 수도육종연구소, 1965년에는 호남작물시험장, 1994년에는 호남농업시험장으로 개편되었다. 1998년 목포시험장이 개설되었고, 1978년에는 계화도출장소, 1981년에는 운봉출장소가 새로 설치되어 종합작물시험장으로 성장하였다.
호남농업시험장은 호남지방에 적응하는 주요 식량작물과 소득작물의 품질 좋고 소비자의 기호에 맞는 새로운 품종개발과 이들 작물을 적은 노력과 손쉽고 안전하게 재배할 수 있는 재배법을 개발하며, 토양을 정밀조사하여 적지에 적작물을 도입하도록 하였다. 아울러 땅심을 높이는 연구와 주요작물의 병해충 예방 및 농약을 적게 쓰고 안전방제할 수 있는 연구를 하였다.
또한, 간척 가능 면적 40만 2000㏊의 개발에 대비하여 간척지에 적응하는 벼품종 육성과 재배법, 조기 제염방법을 구명하고 남부 산간 고랭지에 적응하는 벼품종 육성과 재배방법개선, 그리고 이 지방에 적응하는 소득작물을 개발하였다.
이 시험장은 농업연구관인 장장 아래 관리과 · 수도과 · 전작과 · 식물환경과와 계화도출장소 · 운봉출장소를 두었으며, 1991년 당시 연구원 수는 103명이었다.
이 시험장은 설립 당시부터 벼품종 개발에 진력하여 한국육종사에 길이 기록될 풍속 · 팔굉 · 풍산 · 동진벼 등 40여 개 품종을 개발하여 주곡 부족의 시대에서 과잉생산 시대로 전환시킨 녹색혁명의 산실이었으며, 많은 벼품종 중에서 동진벼는 밥맛이 좋고 안전한 다수확 품종으로 전국 벼 재배 면적의 21%를 차지하였다.
근래에는 첨단기술인 꽃가루배양에 의하여 벼멸구와 주요 병해충에도 강한 복합저항성 품종인 화청(花淸)벼를 개발, 보급하였을 뿐 아니라 벼기계모내기 재배기술을 체계화하여 농가의 노동력 부족 대응에 크게 기여하였다. 밭작물은 양질의 안전다수확, 쌀보리 품종인 송학 · 새쌀 · 긴쌀 · 내한쌀보리 등, 그리고 대립 다수확 품종인 남광(南廣)땅콩도 개발하고, 풀사료 생산기술에도 기여하였다.
또한, 호남지역의 정밀토양조사와 토양도를 작성하여 합리적인 작물도입을 추천하고, 토양비옥도 증진과 주요작물 병해충방제에도 많은 업적을 내었다. 계화도출장소에서는 밥맛이 좋고 간척지에 적응하는 계화벼 육성과 간척지 벼농사방법을 개발, 보급하였고, 운봉출장소에서는 밥맛이 좋고 고랭지재배에 적응하는 운봉벼를 개발함과 동시에 안전재배법도 확립하였다.
중점 연구방향은 풍요로운 복지농촌 건설을 위하여 유망 소득작물과 주요 식량작물의 품질 좋고 안정성 높은 품종을 개발하고, 국제경쟁력 강화를 위하여 생산비절감과 새 기술을 개발하며, 지역농업 발전을 위하여 시설원예작물 도입연구, 생명공학기술 실용화로 육종효율을 높이며 병해충의 생물학적 방제기술을 개발하여 농작물의 안전생산에 기여하는 것이었다.
2004년 호남농업시험장이 영남농업시험장 등과 더불어 작물과학원에 통합된 후 호남농업연구소로 명칭이 변경되었다. 이후 호남농업연구소의 기능이 2008년 국립식량과학원에 귀속되었으며, 국립식량과학원은 2015년 전주혁신도시로 이전하였다.