植物基因组学国家重点实验室的前身是1990年成立的中国科学院植物生物技术开放实验室，依托于中国科学院遗传研究所和中国科学院微生物研究所。中国科学院植物生物技术开放实验室曾三次参加国家重点实验室评估（1991年、1996年、2001年），分列全国生命科学实验室第7、第6（部级实验室第一）位和第11位。
2003年12月31日，由国家科学技术部批准，中国科学院植物生物技术开放实验室升级为植物基因组学国家重点实验室(以下简称实验室)，并正式进行建设。2006年1月通过科技部组织的现场验收，实验室正式进入国家重点实验室序列运行。在2006、2011年的国家重点实验室评估中，植物基因组学国家重点实验室连续2次被评为优秀实验室。
实验室总体定位：从我国农业发展和学科建设的需要出发，以主要农作物和经济作物以及重要模式植物为材料，以基因组的序列结构研究为出发点，系统地开展转录组学、功能基因组学、表观遗传组学和蛋白组学研究，着重于大规模新基因的鉴定、表达、功能分析和潜在应用价值的探索，推动植物生物技术的源头创新和产业化。建立我国植物基因组学理论体系和技术平台，使植物基因组学国家重点实验室成为国内植物基因组学原始性创新研究的重要基地，不断提高在国际上的竞争力和影响力。
目前，实验室已达21个创新研究组规模，研究内容拓展为基因组结构研究、功能基因组学研究、比较基因组学与生物信息学研究、表观遗传学研究、植物遗传工程等五个单元。实验室的发展处在良性上升态势。