中關村國家自主創新示范區源于20世紀80年代初期的中關村電子一條街，是中國改革開放的產物。

1978年3月，中共中央在京召開全國科學大會。時任中共中央副主席的鄧小平在會上發表重要講話，明確指出，科學技術是生產力，知識分子是工人階級的一部分。這使得中關村地區廣大科技人員感受到"春天"的來臨，重新燃起科技報國的激情。從那時起，以中國科學院物理研究所的陳春先為代表的一大批科技人員走出科研院所和高等院校，創辦民營高科技企業（通稱"下海"），形成了中關村電子一條街。

中關村地區不斷涌現的民營高科技企業得到黨中央和北京市委的大力支持。1988年5月，經國務院批準，市政府印發了《北京市新技術產業開發試驗區暫行條例》。《暫行條例》規定："以中關村地區為中心，在北京市海淀區劃出100 平方公里左右的區域，建立外向型、開放型的新技術產業開發試驗區"，在北京市新技術產業開發試驗區內注冊的高新技術企業可以享受《暫行條例》所規定的國家各項優惠政策。由此，中國第一個國家級高新技術產業開發區正式成立。1999年6月，國務院對科技部、北京市政府報送的《關于實施科教興國戰略加快建設中關村科技園的請示》做出《關于建設中關村科技園區有關問題的批復》，原則同意關于加快建設中關村科技園區的意見和關于中關村科技園區的發展規劃。同年8月，北京市新技術產業開發試驗區更名為中關村科技園區。2009年3月，國務院印發《關于同意支持中關村科技園區建設國家自主創新示范區的批復》，明確中關村科技園區的新定位是國家自主創新示范區，目標是成為具有全球影響力的科技創新中心，并同意在中關村示范區實施股權激勵、科技金融改革創新等試點工作。中關村成為中國首個國家級自主創新示范區。30余年來，中關村示范區的建設和發展得到黨中央、國務院高度重視，先后8次做出重大決策部署。2013年9月30日，中共中央政治局第九次集體學習選擇在中關村舉行，中共中央總書記習近平發表重要講話。習近平在講話中指出，中關村已經成為中國創新發展的一面旗幟，面向未來，要加快向具有全球影響力的科技創新中心進軍。

從1994年4月起，經原國家科委（后更名為科技部）批準，北京市新技術產業開發試驗區和中關村科技園區先后3次調整范圍，經歷了"一區三園""一區五園""一區七園"的發展格局，但政策區域范圍始終保持100平方千米不變。2006年1月，經國務院批準，發展改革委發布《公告》，審核確定中關村科技園區規劃用地總面積為232.52平方千米。隨后，國土資源部公布了中關村科技園區的海淀園、豐臺園、昌平園、電子城、亦莊園、德勝園、石景山園、雍和園、通州園、大興生物醫藥產業基地等10園規劃用地的四至范圍。2012年10月，國務院印發《關于同意調整中關村國家自主創新示范區空間規模和布局的批復》，原則同意對中關村國家自主創新示范區空間規模和布局進行調整。調整后，中關村示范區空間規模擴展為488平方千米，形成了包括海淀園、昌平園、順義園、大興-亦莊園、房山園、通州園、東城園、西城園、朝陽園、豐臺園、石景山園、門頭溝園、平谷園、懷柔園、密云園、延慶園等16園的"一區多園"發展格局。