中关村国家自主创新示范区源于20世纪80年代初期的中关村电子一条街，是中国改革开放的产物。
　　1978年3月，中共中央在京召开全国科学大会。时任中共中央副主席的邓小平在会上发表重要讲话，明确指出，科学技术是生产力，知识分子是工人阶级的一部分。这使得中关村地区广大科技人员感受到"春天"的来临，重新燃起科技报国的激情。从那时起，以中国科学院物理研究所的陈春先为代表的一大批科技人员走出科研院所和高等院校，创办民营高科技企业（通称"下海"），形成了中关村电子一条街。
　　中关村地区不断涌现的民营高科技企业得到党中央和北京市委的大力支持。1988年5月，经国务院批准，市政府印发了《北京市新技术产业开发试验区暂行条例》。《暂行条例》规定："以中关村地区为中心，在北京市海淀区划出100 平方公里左右的区域，建立外向型、开放型的新技术产业开发试验区"，在北京市新技术产业开发试验区内注册的高新技术企业可以享受《暂行条例》所规定的国家各项优惠政策。由此，中国第一个国家级高新技术产业开发区正式成立。1999年6月，国务院对科技部、北京市政府报送的《关于实施科教兴国战略加快建设中关村科技园的请示》做出《关于建设中关村科技园区有关问题的批复》，原则同意关于加快建设中关村科技园区的意见和关于中关村科技园区的发展规划。同年8月，北京市新技术产业开发试验区更名为中关村科技园区。2009年3月，国务院印发《关于同意支持中关村科技园区建设国家自主创新示范区的批复》，明确中关村科技园区的新定位是国家自主创新示范区，目标是成为具有全球影响力的科技创新中心，并同意在中关村示范区实施股权激励、科技金融改革创新等试点工作。中关村成为中国首个国家级自主创新示范区。30余年来，中关村示范区的建设和发展得到党中央、国务院高度重视，先后8次做出重大决策部署。2013年9月30日，中共中央政治局第九次集体学习选择在中关村举行，中共中央总书记习近平发表重要讲话。习近平在讲话中指出，中关村已经成为中国创新发展的一面旗帜，面向未来，要加快向具有全球影响力的科技创新中心进军。
　　从1994年4月起，经原国家科委（后更名为科技部）批准，北京市新技术产业开发试验区和中关村科技园区先后3次调整范围，经历了"一区三园""一区五园""一区七园"的发展格局，但政策区域范围始终保持100平方千米不变。2006年1月，经国务院批准，发展改革委发布《公告》，审核确定中关村科技园区规划用地总面积为232.52平方千米。随后，国土资源部公布了中关村科技园区的海淀园、丰台园、昌平园、电子城、亦庄园、德胜园、石景山园、雍和园、通州园、大兴生物医药产业基地等10园规划用地的四至范围。2012年10月，国务院印发《关于同意调整中关村国家自主创新示范区空间规模和布局的批复》，原则同意对中关村国家自主创新示范区空间规模和布局进行调整。调整后，中关村示范区空间规模扩展为488平方千米，形成了包括海淀园、昌平园、顺义园、大兴-亦庄园、房山园、通州园、东城园、西城园、朝阳园、丰台园、石景山园、门头沟园、平谷园、怀柔园、密云园、延庆园等16园的"一区多园"发展格局。