1958至1962年，中国科学院沈阳自动化研究所筹建，先后经历了辽宁电子技术研究所自动化（903）专业、中国科学院辽宁分院自动化研究所、中国科学院东北工业自动化研究所等阶段。

1968至1970年，业务工作由国防科委第十五研究院代管。

1970年7月，回归中国科学院。

1972年8月，名称确定为“中国科学院沈阳自动化研究所”。

1984年，依托沈阳自动化研究所建设的国家机器人示范工程正式启动。

1989年，建立中国科学院机器人学开放实验室。

1996年，依托机器人示范工程建立机器人技术国家工程研究中心。

1997年，中国科学院沈阳自动化研究所成为全院首批获得批准进行分类定位的单位。

2000年，中国科学院沈阳自动化研究所建立沈阳新松机器人自动化股份有限公司。

2007年，依托于中国科学院沈阳自动化研究所的机器人学国家重点实验室获得中华人民共和国科技部批准。

2011年6月，中国科学院沈阳自动化研究所进入中国科学院“创新2020”整体择优支持研究所行列。

2015年9月，由中国科学院沈阳自动化研究所组建的沈阳机器人协同创新中心在东北大学成立。

2016年11月30日，由中国科学院沈阳自动化研究所倡议发起的边缘计算产业联盟在北京成立。

2018年10月24日，由中国科学院、辽宁省、沈阳市共建的中国科学院机器人与智能制造创新研究院在沈阳揭牌。

2021年2月25日，中国科学院沈阳自动化研究所加入辽宁省钢铁产业产学研创新联盟。

2023年8月18日，中国科学院沈阳自动化研究所与宁夏工业和信息化研究院有限公司成立机器人与智能制造联合实验室。