20世纪80年代初，中国科学院89位院士（学部委员）致函党中央、国务院，建议借鉴国际成功经验，设立面向全国的自然科学基金，得到党中央、国务院的首肯。随后，在小平同志的亲切关怀下，国务院于1986年2月14日正式批准成立国家自然科学基金委员会（简称自然科学基金委，英文名称为National Natural Science Foundation of China，缩写为NSFC）。

自成立以来，在党中央、国务院的坚强领导下，在有关部门及广大科技工作者支持下，自然科学基金委坚持以支持基础研究为主线，以深化改革为动力，确立了依靠专家、发扬民主、择优支持、公正合理的评审原则，建立了科学民主、平等竞争、鼓励创新的运行机制，健全了决策、执行、监督、咨询相互协调的管理体系，形成了以《国家自然科学基金条例》为核心、包括组织管理、程序管理、资金管理、监督保障在内的规章制度体系，形成了包括探索、人才、工具、融合四大系列组成的资助格局。国家自然科学基金聚焦基础、前沿、人才，注重创新团队和学科交叉，为全面培育我国源头创新能力作出了重要贡献。长期以来，自然科学基金作为资助基础研究的“基本盘”，稳定支持基础学科全面协调可持续发展，夯实学科发展基础；作为杰出人才的“孵化器”，基本形成了覆盖科研人员职业发展全阶段的人才资助体系；作为科学突破的“策源地”，启发和促进产出了铁基超导材料、多光子纠缠等一批前沿成果；作为基础研究领域促进协同创新的“黏合剂”，充分调动社会各界支持基础研究的积极性；作为国际科学合作的“重要平台”，在畅通国际合作渠道方面发挥重要作用。2018年，自然科学基金委由国务院直属事业单位改由科学技术部管理，依法管理国家自然科学基金，相对独立运行，负责资助计划、项目设置和评审、立项、监督等组织实施工作。根据2023年3月中共中央 国务院印发的《党和国家机构改革方案》，中国21世纪议程管理中心、科学技术部高技术研究发展中心（科学技术部基础研究管理中心）划入自然科学基金委。