大连化物所的前身是日本侵华期间于1907年建立的“南满洲铁道株式会社中央试验所”。1945年抗战胜利后，由中长铁路局接管，改名为“中长铁路大连科学研究所”。1949年3月移交给大连大学，名为“大连大学科学研究所”。1950年9月改属东北人民政府工业部，名为“东北科学研究所大连分所”。1952年归属中国科学院，名为“中国科学院工业化学研究所”。1954年6月，改名为“中国科学院石油研究所”。1961年12月，又改名为“中国科学院化学物理研究所”。
1968年1月划归国防科委第16研究院，名为国防科委1616所。1970年回归中国科学院，名为“中国科学院大连化学物理研究所”。
建所60年以来，大连化物所曾先后分出了三个研究所，即1958年分建的中国科学院石油研究所兰州分所（现名中国科学院兰州化学物理研究所）；1961年在太原建立中国科学院煤炭化学研究所；1971年在湖北襄樊组建七机部42所（后改名航天科技集团42所，现名襄樊航天化学动力总公司）。
1995年大连化物所从工作近五十年的129街老科研区，实现了向星海二站科研园区的搬迁。新的科研园区占地面积22.61万方米，依山傍海，环境优美。