为培养优秀科研人才，中国科学院于1950年启动研究实习员的招考和培养工作，当年11月19-20日在北京、南京和上海进行首次研究实习员招考，共有45人报名，最终录取3人。
1951年6月11日，中国科学院、中央教育部联合发出《1951年暑期招收研究实习员、研究生办法》，标志着我国研究生教育制度的开创。《办法》规定：中国科学院为培养科学研究人才招收研究实习员，教育部为培养高等学校的师资招收研究生。
1951年6月7日，教育部与中国科学院、人事部成立招收研究生委员会，时任教育部副部长曾昭伦任主任委员，中国科学院副院长吴有训以及人事部丁华局长任副主任委员，各大学代表13人为委员。招生委员会由中国科学院及教育部所属高校53名著名科学家、教授组成的17个(数学、物理、化学、生物、地质、地理、测量机械、航空、电机、土木建筑、化工、采矿冶金、农科、文史、心理、政法、财经)各科审查小组，审查录取招收。
1951年计划招收500名研究生，实际招收276名，其中中国科学院95名，中国人民大学101名，其他各校共80名。
科学人才的培养是决定科学发展的主要环节。中国科学基础薄弱，为了有效地促进科学研究力量的成长，需要采取正规的办法，有计划、有步骤地培养合格的科学研究人才。1954年6月12日，中国科学院院务常务会议决定组织研究生条例起草委员会，由副院长竺可桢任主席；7月29日，院务常务会议通过《中国科学院研究生暂行条例》。1955年8月5日，《中国科学院研究生暂行条例》经国务院全体会议第17次会议审议通过；8月31日，由总理周恩来签发命令公布实施。这是新中国第一部有关培养高级科学人才的条例。1955年9月6日，《人民日报》在第一版发表社论：“正规的研究生制度的建立首先由中国科学院开始，今后有条件的高等学校也应建立正规的研究生制度”。
1955年5月12日，成立了以吴有训为主任的中国科学院研究生招生委员会，9月15日开始招生报名。根据国家建设和科学发展的需要以及院内各所的条件，招收了第一批研究生，分45个专业，共50名。培养目标为：“具有一定马列主义水平，本门学科方面的坚实的基础，有关国家建设的实际知识，能独立地进行专业的创造性的科学研究工作”。
1955-1965年，中国科学院共招收研究生1517名，是全国研究生招生总人数的10%，其中1963年高达全国招生总数的24.7%。1965年，中国科学院已有招生单位81个，占当时全国招生单位总数的34.6%，在学研究生人数已近千名(943名)，占全国研究生总数的20.7%。
1977年9月10日，中国科学院向国务院报送了《关于招收研究生的请示报告》，提出委托中国科技大学在京区各所的大力协作下在北京筹办研究生院。月底，报告获得批准，国家决定在中国科学院所属的66个研究所和四所大学恢复研究生制度。11月3日，经国务院批准，中国科学院与教育部联合发出《关于一九七七年招收研究生具体办法的通知》，标志着我国研究生教育制度中止了12年之后的恢复。
1977年12月19日，中国科学院批复同意研究生院机构设置和人员编制。1978年3月1日，中国科学技术大学研究生院在北京正式成立。3月31日，国务院批复中国科学院，同意严济慈任中国科学技术大学研究生院院长，马西林等任副院长。研究生院于1978年10月14日举行开学典礼。
研究生院设有数学、物理、化学、天文、地学、生物学、无线电技术、计算机工程、空间技术、环境科学以及科学组织管理等专业。中国科学院的73个研究所与208所高校及中国社科院、部委所属89个单位，于1978年招收了恢复研究生教育后的第一批研究生。1978年，中国科学院共招收研究生1400名，从中选择数、理、化、专业课和外语课基础较好的170人，准备出国留学。
1980年，五届人大常委会第13次会议通过《中华人民共和国学位条例》，学位条例规定“硕士学位、博士学位，由国务院授权的高等学校和科学研究机构授予”，以立法的形式确立了中国的研究生教育是由高等学校和科学研究机构共同进行。首任国务院学位委员会主任由时任中国科学院院长的方毅出任。
1981年5月20日，国务院批准实施《中华人民共和国学位条例暂行实施办法》。
1983年5月27日，国务院学位委员会和北京市人民政府在人民大会堂联合召开博士、硕士学位授予大会，共授予新中国首批18人博士学位，其中马中骐（高能物理研究所）、谢惠民（系统科学研究所）、冯玉琳（计算技术研究所）、黄朝商（理论物理研究所）、徐功巧（生物物理研究所）、徐文耀（地球物理研究所）6人来自研究生院。
1980年1月16日，严济慈同意李政道在美国同各大学联系招考研究生时，使用“中国科学院研究生院”名称。1982年5月15日，中国科学院党组批准研究生院在对外交流中，同时使用“中国科学院研究生院”和“中国科技大学研究生院”的名称。1986年10月，中国科技大学研究生院（合肥）成立。
研究生院成立以后，由于种种原因，研究生院的研究生教育未被纳入国民教育体系，影响了中国科学院研究生教育的发展速度，使得中国科学院的研究生教育规模远不能适应科学研究发展的需要、国家创新体系建设的需要、国家经济建设和社会发展的需要。随着知识创新工程的不断深入开展，中国科学院并未形成适应创新体系所需要的研究生教育管理体系，健全教育管理机构成为一项重要工作。在这种背景下，中国科学院于2000年6月在上海召开教育工作会议，会上全院形成了创办新研究生院的共识。
2000年7月，中国科学院成立“中国科学院研究生院筹建工作小组”，开始新研究生院的筹建工作。
2000年9月20日，中国科学院向国务院提交《关于中国科技大学研究生院（北京）更名为中国科学院研究生院的报告》，将当时全院109个研究所的研究生教育进行体制机制改革和资源整合，在中国科技大学研究生院（北京）的基础上，更名组建中国科学院研究生院。
2000年12月29日，国务院学位委员会、教育部下发《关于同意调整中国科学院研究生培养和学位授权管理体制及更名的批复》，中国科学院研究生院正式更名组建，并将中国科学院5个学部和作为学位授予单位各研究所的18个一级学科博士学位授权点、24个二级学科博士学位授权点、23个二级学科硕士学位授权点归入中国科学院研究生院。从此，中国科学院的研究生教育进入了一个崭新的发展阶段。
2001年2月，中国科学院下发文件，明确了研究生院“三统一、四结合”的办学方针，即“统一招生、统一教育管理、统一学位授予”的职能和“院所结合的领导体制，院所结合的师资队伍，院所结合的管理制度，院所结合的培养体系”的组织形式。同年5月22日，新研究生院更名成立的揭牌仪式在北京玉泉路园区隆重举行，标志着研究生院的建设与发展从此进入一个新的历史时期。
2012年6月，经教育部、中编办批复，中国科学院研究生院正式更名为中国科学院大学（简称：国科大），并确立了“科教融合、育人为本、协同创新、服务国家”的办学方针。
2014年，国科大经教育部批准开始招收本科生，进行拔尖创新人才培养的积极探索。当年，国科大招收首届本科生332名，分布在数学、物理学、化学、生命科学、材料科学与工程、计算机科学与技术6个专业。招收本科生，标志着国科大形成了以研究生教育为主的完整的高等教育体系，是国科大发展历程中的里程碑。2016年1月4日，中国科学院大学加入“基础学科拔尖学生培养试验计划”。目前，本科生招生已经扩展到9个专业，累计招生1462名。
自2014年，国科大积极推进科教融合基础学院的建立，落实基础学院由高水平研究所承办、教研室建在科研实力最强的实验室、学院领导班子由研究所提名等一系列科教融合举措，最大限度发挥研究所承办国科大基础学院的自主权和办学活力。2016年，继续深化科教融合学院建设，科教融合学院一般由一个高水平的北京地区研究所牵头承办，其他相关研究所参与承办。牵头承办研究所为学院建设的第一责任单位，由其法定代表人任学院院长或常务副院长。
2017年，国科大第七次党委会，审议并原则通过《关于国科大深化科教融合工作的思路和建议》的报告，决定从2017年起，启动实施以人才队伍建设为核心的“科教融合3.0”。在7月28日召开的夏季中国科学院党组扩大会上获得批准。
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