美国内战时期，一群活跃在马萨诸塞州剑桥的科学家，起草了一份成立国家科学院的提案，在州参议员H.威尔逊（Henry Wilson，1812～1875）的帮助下，于1863年2月20日提交参议院。当年3月3日，林肯总统签署此提案，美国国家科学院宣告成立。此提案内容一共3条：①确立50名创始成员；②进一步确定科学院成员由不超过50名的普通成员组成，因普通成员死亡、辞职或其他原因造成空缺，新成员才可以填补空缺；③国家科学院将在美国指定地点举行年度会议，在政府部门有需要的时候，科学院会进行调查、检验和实验，来回应这些问题。

鉴于科学院有限的成员，19世纪经过了几次增选。到了第一次世界大战时，大量军事战备咨询的请求投向了科学院，以至于当时150名成员显得难以应付。1916年，在美国总统T.W.威尔逊（Thomas Woodrow Wilson，1856～1924）的建议下，科学院成立了国家研究理事会（NRC），“目的是整合现有的政府、教育界、工业界以及其他研究组织的力量以达到鼓励研究自然现象，推广科学研究成果在工业界的使用以及应用科学方法增强国防实力等各种促进国家安全和国民福利的目标”。一战结束后，NRC承接了国家科学院“国家科学顾问”的功能，更加积极地为政府提供独立、专业的服务和咨询。

为了更好地发挥国家科学院的作用，根据美国工程师联合会、工程师基金会、工程师职业发展委员会的要求和倡议，国家研究理事会在1964年12月5日成立了美国国家工程院（NAE），作为与国家科学院并列的单独成员机构。1970年夏，国家研究理事会又成立了医学研究院（IOM，2015年改名为美国国家医学院NAM），同样是与国家科学院并列的单独成员机构，为联邦政府就医疗保健、医学研究与教育等问题提供咨询。这样，国家研究理事会相当于国家科学院、工程院、医学研究院三院管理咨询活动的执行机构。

美国国家科学院院士没有申请程序，而是靠同行的提名当选。只有院士才有提名权，然后会经过广泛、细致的审查程序，最终在每年4月的科学院年会上投票表决。每年最多有120名新院士当选，而且必须是美国公民；此外每年评选不超过30位外籍院士。截至2022年，美国国家科学院一共有2400位院士、500位外籍院士，其中约190位是诺贝尔奖得主。