1970年代後因雷射技術與同步輻射光的迅速發展而促使原子與分子科學研究工作成為一新興的研究領域，有別於傳統的物理化學研究。有鑑於此，1982年7月間，本院舉行第十五次中央研究院院士會議，由李遠哲院士等十五人連署建議成立原子與分子科學研究所。經全體院士一致同意，並經本院提報第十一屆評議會第六次會議通過後，乃報請總統府秘書長轉呈鋻准。先行設立之籌備處於1982年9月23日奉准，同年本院聘請國內外有關專家學者吳大猷、李遠哲、浦大邦、張昭鼎、張圖南、湯光天、閰愛華等七位先生組成設所諮詢委員會，由李遠哲先生擔任主任委員；1982年12月間經設所諮詢委員會第一次會議決議由張昭鼎先生擔任籌備處主任；1993年7月由林聖賢院士接任籌備處主任；並於1995年4月正式成所。

現今本所共28位研究人員，10位合聘研究人員，33位行政與技術人員。每年約有50位訪問學者及博士後研究員，70位研究助理，及90位研究生參與本所的研究工作。研究的範圍涵蓋化學、物理、光電等領域，並劃分為(一)尖端材料與表面科學組，(二)原子物理與光學組，(三)化學動態學與光譜組，(四)生物物理與分析技術組等四個研究群。另外，本所亦參與了本院國際研究生院「分子科學與技術」，及「奈米科學與技術」等二個學程。

為促進與大學之間的研究交流，本所設於國立臺灣大學校總區內，所內許多研究人員合聘於臺灣大學、清華大學、臺灣師範大學、中央大學、中正大學之物理、化學、生命科學、工程與系統科學、光機電整合工程研究所、凝態科學研究中心等系所及研究中心；本所也合聘了10名來自各校的教授。另外，本所設有機械、電子、玻璃工場及資訊室，以一流的技術協助各研究團隊。