前身为创建于1950年的中国科学院近代物理研究所,1953年改名为物理研究所,1958年改名为中国科学院原子能研究所,1984年启用现名。下设核物理研究所、反应堆工程技术研究部(反应堆设计所、反应堆研究所、反应堆运行所)、放射化学研究所、同位素研究所、核技术应用研究所、辐射安全研究所、放射性计量测试部、回旋加速器研究设计中心、特种材料工程部。建有国防科技工业核材料技术创新中心、国防科技工业抗辐照应用技术创新中心、中国核数据中心、核数据测量与评价技术国防科技重点实验室、北京串列加速器核物理国家实验室、国家能源快堆工程研发(实验)中心、国家同位素工程技术研究中心、国防科技工业电离辐射一级计量站(重点实验室)、国家核应急辐射监测技术支持中心、IAEA-CAEA核保障与核保安联合培训中心、核保障领域IAEA网络实验室等。
截至2021年4月,有职工4200多人,是中国核科学技术培养人才的摇篮。建成有中国第一座反应堆和第一台加速器,在中国“两弹一艇”研制攻关中做出了历史性的贡献。在国家表彰的23位“两弹一星功勋奖章”获得者中,有7位在这里建立功勋,有60余位两院院士曾在这里学习和工作过,国内十几个重要的核科研和生产单位由此派生,从这里输送出去的各类骨干人才达10000多名。有着中国核工业“摇篮”和“老母鸡”的美誉。吴有训、钱三强、王淦昌、戴传曾、孙祖训、樊明武、赵志祥等著名科学家曾先后担任院(所)长。1978年以来,获国家自然科学奖、国家发明奖、国家科技进步奖、国防科学技术奖、何梁何利奖、中华技能大奖和中核集团科学技术奖等共1600多项;获得专利授权1200余件;曾荣获“全国五一劳动奖状”“首都文明单位”“科技奥运先进集体”“国防科技创新团队”等诸多殊荣。出版的学术期刊有《原子能科学技术》《核化学与放射化学》《同位素》《质谱学报》和《应用泛函分析学报》。