為了推動遙感定量化前沿科學問題的解決，加強學科優勢和部門優勢，2003年中國科學院遙感應用研究所的遙感信息科學開放研究實驗室（LARSIS）與遙感基礎理論研究較強的北京師范大學遙感與地理信息系統研究中心聯合申請組建遙感科學國家重點實驗室。2005年，獲科技部批準并對外開放運行。通過聯合建設國家重點實驗室，既充分發揮了LARSIS的專業性強、實驗條件完備的優勢，又保持了北京師范大學人才資源豐富，專業齊全和學科交叉的特色，青年學生能提前參與研究，實現了大學和研究所強強聯合，大幅提升了實驗室的研究能力。實驗室主管部門為中國科學院，依托單位為中國科學院空天信息創新研究院（原遙感與數字地球研究所）和北京師范大學，其中兩依托單位的實驗室固定人員數比例為2:1。實驗室是我國目前唯一進行遙感科學基礎研究的國家級重點實驗室，凝聚了我國遙感界的一批骨干力量，引導了我國遙感科學領域的不斷發展。2012年，為加強遙感與數字地球科技領域的綜合優勢，中國科學院決定由原遙感應用研究所和對地觀測與數字地球科學中心聯合組建遙感與數字地球研究所。2017年，面向促進空天領域重大產出和支撐國家實驗室建設為目標，中國科學院進一步整合空天信息領域的電子學研究所、遙感與數字地球研究所和光電研究院等三家單位，構建形成空天信息領域高起點、大格局、全鏈條的學科布局。實驗室抓住這兩次機構改革的機遇，完成了實體化運行體制改革，實現了財務和人事相對獨立的運行體系，優化和加強了研究隊伍，進一步凝練了實驗室的定位和研究方向，并充分利用兩大科學裝置，進一步提高了實驗室的科研能力。