国家实验室是体现国家意志、实现国家使命、代表国家水平的战略科技力量，是面向国际科技竞争的创新基础平台，是保障国家安全的核心支撑，是突破型、引领型、平台型一体化的大型综合性研究基地。
2000年底，国家同步辐射实验室等5个首批国家实验室全部通过验收。
2000年至2003年，科技部陆续批准了5个国家实验室的试点（即筹建状态）。
2006年，科技部启动10个国家实验室试点建设。
截至2016年底，在筹建的国家实验室里，除1个国家实验室正式获批成立外，其余14个试点的国家实验室仍处于筹建状态。
2017年11月21日，第二批筹建的国家实验室和首批名单里的1个国家实验室被科技部批准转变为国家研究中心。
截至2022年1月，北京已成立挂牌成立中关村国家实验室、怀柔国家实验室、昌平国家实验室。
| 序号 | 国家实验室名称 | 状态 | 依托单位 | 城市 |
| 1 | 国家同步辐射实验室 | 建成 | 中国科学技术大学 | 合肥 |
| 2 | 正负电子对撞机国家实验室 | 建成 | 中国科学院高能物理研究所 | 北京 |
| 3 | 北京串列加速器核物理国家实验室 | 建成 | 中国原子能科学研究院 | 北京 |
| 4 | 兰州重离子加速器国家实验室 | 建成 | 中国科学院近代物理研究所 | 兰州 |
| 5 | 青岛海洋科学与技术国家实验室 | 建成 | 中国海洋大学等 | 青岛 |
| 6 | 磁约束核聚变国家实验室 | 筹建 | 中科院合肥物质科学研究院、 核工业西南物理研究院 | 合肥 |
| 7 | 洁净能源国家实验室 | 筹建 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 大连 |
| 8 | 船舶与海洋工程国家实验室 | 筹建 | 上海交通大学 | 上海 |
| 9 | 微结构国家实验室 | 筹建 | 南京大学 | 南京 |
| 10 | 重大疾病研究国家实验室 | 筹建 | 中国医学科学院 | 北京 |
| 11 | 蛋白质科学国家实验室 | 筹建 | 中国科学院生物物理研究所 | 北京 |
| 12 | 航空科学与技术国家实验室 | 筹建 | 北京航空航天大学 | 北京 |
| 13 | 现代轨道交通国家实验室 | 筹建 | 西南交通大学 | 成都 |
| 14 | 现代农业国家实验室 | 筹建 | 中国农业大学 | 北京 |
| 15 | 中关村国家实验室 | 挂牌成立 | / | 北京 |
| 16 | 怀柔国家实验室 | 挂牌成立 | / | 北京 |
| 17 | 昌平国家实验室 | 挂牌成立 | / | 北京 |
