สถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล มหาวิทยาลัยมหิดล เป็นการควบรวมของ 2 ส่วนงานภายในมหาวิทยาลัยมหิดล คือ “สถาบันวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี” และ “สถาบันอณูชีววิทยาและพันธุศาสตร์” ปี พ.ศ. 2524 จัดตั้ง “สถาบันวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ” เพื่อสนับสนุนให้คณาจารย์และนักวิชาการของมหาวิทยาลัยได้ทำงานค้นคว้าวิจัยทางด้านชีววิทยาศาสตร์ระดับโมเลกุล ปี พ.ศ. 2535 ได้รับการสนับสนุนให้เกิดการสร้างอาคารวิจัยอย่างเต็มรูปแบบขึ้นในพื้นที่ของศาลายา ด้วยงบประมาณก่อสร้างประมาณ 392 ล้านบาท พร้อมครุภัณฑ์อีก 24 ล้านบาท โดยถือเป็นอาคารหลังแรกและเป็นศูนย์รวมของการมีห้องปฏิบัติการวิจัยในสาขาต่าง ๆ อย่างครบถ้วน “สถาบันอณูชีววิทยาและพันธุศาสตร์” จัดตั้งขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2540 ตามประกาศในราชกิจจานุเบกษา ลงวันที่ 2 ตุลาคม พ.ศ. 2540 เพื่อเป็นแหล่งผลิต วิจัย พัฒนาและเป็นหน่วยงานกลางทางวิชาการด้านอณูวิทยาและพันธุศาสตร์ วันที่ 20 พฤษภาคม พ.ศ. 2552

สถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล มหาวิทยาลัยมหิดล ได้รับการจัดตั้งขึ้นตามประกาศมหาวิทยาลัยมหิดล เรื่องการจัดตั้งส่วนงานของ มหาวิทยาลัยมหิดล พ.ศ. 2552 ซึ่งเป็นผลจากการปรับโครงสร้างของหน่วยงานภายในมหาวิทยาลัยมหิดล สถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล มหาวิทยาลัยมหิดล เป็นจุดเริ่มต้นของการบ่มเพาะงานวิจัยในระดับแนวหน้าของมหาวิทยาลัยและของประเทศจำนวนมาก ไม่ว่าจะเป็นงานวิจัยทางด้านการแพทย์และวิทยาศาสตร์การแพทย์เกี่ยวกับโรคที่พบบ่อยในประเทศไทย เช่น ธาลัสซีเมีย และไข้เลือดออก ไปจนถึงด้านเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อคนไทย อาทิ ความหลากหลายทางชีวภาพ ยางพารา มันสำปะหลัง กุ้ง และเทคโนโลยีในการควบคุมประชากรยุง เป็นต้น งานวิจัยและพัฒนาจำนวนหนึ่งมีมูลค่าสูงในเชิงพาณิชย์ โดยเฉพาะวัคซีน ยาขับเหล็ก และเทคโนโลยีชีวภาพกุ้ง นอกจากนี้ งานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับอาหาร ยารักษาโรค การวินิจฉัยโรค และวัคซีนของสถาบันฯ ยังเป็นผลงานที่มีผลกระทบสูง สร้างรายได้ให้แก่สถาบันฯ และมหาวิทยาลัยมหิดล และยังสามารถตอบเป้าหมายการพัฒนาสากลที่เรียกว่า เป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน หรือ Sustainable Development Goals (SDG) ได้เป็นอย่างดี ไม่ว่าจะเป็นเรื่องการสร้างความมั่นคงทางอาหาร และการส่งเสริมความเป็นอยู่ที่ดีของประชาชน