اقدامات لازم برای ایجاد آزمایشگاه و کارگاه حفاظت و مرمت آثار تاریخی با آموزش مرمتگران ایرانی توسط ایزمئو و تاسیس سازمان ملی حفاظت آثار باستانی (۱۳۴۴ش) آغاز شد. در عین حال تعدادی وسایل، تجهیزات و مواد آزمایشگاهی از جمله دستگاه طیف‌سنج شعله‌ای از سوی یونسکو در اختیار تشکیلات باستان‌شناسی و موزۀ ایران باستان قرار گرفت تا به کمک آن‌ها گام‌های اولیه برای ایجاد آزمایشگاه مرمت برداشته شود.  اولین آزمایشگاه مرمت در سال ۱۳۵۱ .ش با استخدام دو شیمیدان، یک کارشناس فیزیک و دو مرمتگر سفال در زیرزمین ساختمان مرکز باستان‌شناسی ایران (سابق) آغاز به کار کرد و از سال ۱۳۶۹ تحت عنوان آزمایشگاه تحقیقاتی مرکزی حفاظت و مرمت آثار تاریخی-فرهنگی و با هدف اجرای طرح‌های پژوهشی در زمینۀ میراث فرهنگی، حفاظت و مرمت آثار تاریخی-فرهنگی و تربیت و تامین نیروی انسانی به فعالیت خود ادامه داد. در سال ۱۳۷۴ و با گسترش دامنۀ فعالیت آن، این آزمایشگاه به مرکز تحقیقات مرمت آثار تاریخی-فرهنگی تبدیل شد.

در سال ۱۳۸۳ با جدا شدن پژوهشگاه از سازمان میراث فرهنگی کشور، مرکز تحقیقات مرمت آثار تاریخی- فرهنگی به پژوهشکدۀ حفاظت و مرمت آثار تاریخی-فرهنگی تغییر یافت. در سال ۱۳۸۴ با انتقال پژوهشکده به ساختمان جدید (ساختمان فعلی)، امکانات و دامنۀ فعالیت‌های آن به تدریج گسترش پیدا کرد. در حال حاضر پژوهشکده مرکب از چهار گروه پژوهشی حفاظت و مرمت اشیاء، شناخت مواد و فناوری، فرایندهای فرسایشی، و باستان‌سنجی و علوم طبیعی است.