Viện Công nghệ môi trường được thành lập ngày 30/10/2002 theo Quyết định số 148/2002/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ nước Cộng hòa Xã hội Chủ nghĩa Việt Nam, trên cơ sở sự hợp nhất một số đơn vị nghiên cứu về môi trường của các viện nghiên cứu thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia (nay là Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam): Viện Cơ học, Viện Hóa học, Viện Khoa học vật liệu và Viện Công nghệ sinh học.
Khi mới thành lập Viện Công nghệ môi trường có 01 phòng Quản lý tổng hợp, 05 phòng nghiên cứu, với tổng số 70 cán bộ, viên chức. Phạm vi hoạt động của Viện chủ yếu ở Hà Nội và một số tỉnh phía Bắc. Trụ sở chính của Viện lúc này chỉ là khu nhà cấp 4 trong khuôn viên của Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, dành cho hoạt động của Ban lãnh đạo Viện và Phòng Quản lý tổng hợp. Các đơn vị nghiên cứu nằm rải rác tại các viện cơ sở cũ của mình.
Năm 2006, Trung tâm Phát triển Công nghệ cao, thuộc Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, thành lập cuối năm 1993 đã chuyển về Viện Công nghệ môi trường, trở thành một đơn vị triển khai ứng dụng khoa học và công nghệ của Viện. Đến năm 2012, thực hiện nghị định 115/2005/CP ngày 5/9/2005 của Chính phủ quy định cơ chế tự chủ, tự chịu trách nhiệm của các tổ chức khoa học và công nghệ công lập, Trung tâm đã chuyển đổi thành doanh nghiệp khoa học thuộc quyền quản lý của Sở KH&ĐT Hà Nội.
Trung tâm Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ môi trường (NC&ƯDCNMT), tiền thân là Trung tâm Nghiên cứu, Đào tạo và Tư vấn môi trường, trực thuộc Viện Cơ học, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, thành lập năm 1998. Năm 2003, Trung tâm chuyển về Viện Công nghệ môi trường, đến năm 2004 đổi tên thành Trung tâm Triển khai Công nghệ môi trường và năm 2007 đổi tên thành Trung tâm NC&ƯDCNMT. Năm 2012, thực hiện nghị định 115, Trung tâm đã chuyển đổi thành tổ chức KH&CN cấp phòng, thuộc Viện Công nghệ môi trường, tự trang trải kinh phí hoạt động thường xuyên, giữ nguyên tên gọi là Trung tâm NC&ƯDCNMT.
Năm 2007, Viện Công nghệ môi trường cơ cấu lại các đơn vị trực thuộc, thành lập 10 phòng nghiên cứu trên cơ sở 5 phòng trước đó (các quyết định thành lập phòng được ký cùng ngày 12/02/2007).
Đầu năm 2009, Viện Công nghệ môi trường khánh thành trụ sở chính trong khuôn viên của Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam tại tòa nhà A30, số 18, đường Hoàng Quốc Việt, Hà Nội, quy tụ được hầu hết lực lượng cán bộ và trang thiết bị từ tất cả các đơn vị trực thuộc Viện, mà lâu nay còn nằm rải rác ở các viện chuyên ngành. Tháng 5 năm đó, Trung tâm Hợp tác KH&CN Việt - Nga thuộc Viện Công nghệ môi trường được thành lập, làm đầu mối thúc đẩy hợp tác chuyển giao công nghệ giữa Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam với các cơ quan nghiên cứu, triển khai công nghệ của Liên bang Nga. Cũng trong năm 2009, 2 trung tâm công nghệ môi trường trực thuộc Viện tại TP. Đà Nẵng và TP. Hồ Chí Minh được thành lập. Năm 2018, Viện Công nghệ môi trường thành lập Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển công nghệ màng nhằm đáp ứng nhu cầu về xử lý ô nhiễm môi trường.
Hiện nay, Viện Công nghệ môi trường có 1 phòng Quản lý tổng hợp; 11 phòng nghiên cứu; 02 Trung tâm Công nghệ môi trường tại miền Trung và miền Nam, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển công nghệ màng. Phạm vi hoạt động của Viện đã được mở rộng ra nhiều bộ, ngành và các tỉnh trên toàn quốc. Đội ngũ cán bộ đã được tăng cường cả về chất và lượng, với tổng số là 200 người.