Первые опыты широкого и комплексного применения методов естественных и технических наук в исследовании археологического материала в Институте археологии РАН (тогда Институте истории материальной культуры АН СССР) относятся к 1959-1960 гг. Инициатором и активным организатором этих прогрессивных научных направлений явился Б.А. Колчин.

В 1960 г. были сформированы и начали функционировать т.н. кабинеты (группы) дендрохронологии, спектрального анализа, металлографии, петрографии, археомагнитного метода, палинологии, археозоологии; однако вплоть до 1967 г. формально все эти группы входили в состав лаборатории камеральной обработки.

В 1967 г. лаборатория естественнонаучных методов была выделена в особое научное подразделение Института. Первым руководителем лаборатории тогда же был назначен Б.А. Колчин, который и находился на этой должности вплоть до своей кончины в начале 1984 г.; с того момента и до настоящего времени подразделением руководит член-корр. РАН, д.и.н. Е.Н. Черных.

Вскоре - уже в 1960 -е гг. - в лаборатории достаточно четко откристаллизовались два основных и в той или иной мере перспективных научных направления: история древних производств и датировка деревянных средневековых сооружений. Изыскания большинства лабораторных групп были сосредоточены на различных аспектах истории производящего хозяйства: истории животноводства (В.И. Цалкин) и растениеводства (А.В. Кирьянов, Н.А. Кирьянова, Г.Н. Лисицына); история древнейшего горного дела и металлургии меди и бронз в Евразии (Е.Н. Черных, Т.Б. Барцева, Л.Б. Орловская и др.); история железоделательного ремесла (Б.А. Колчин, Л.С. Розанова, Н.Н. Терехова и др.); история керамического производства (А.А. Бобринский и др.).

Программа дендрохронологических исследований материалов из восточноевропейских средневековых городов, крепостей и храмов проводилась в основном Б.А. Колчиным, Н.Б. Черных, а затем и А.Ф. Урьевой. Благодаря активнейшей деятельности групп по истории древнейшего горного дела и металлургии, а также дендрохронологии в лаборатории были созданы обширнейшие базы данных изученных материалов; эти базы и доныне являются крупнейшими в сравнении с собраниями прочих лабораторий аналогичного профиля в иных странах Евразии и Америки.

В 80-е и начале 90-х гг. в структуре и характере деятельности лаборатории происходят заметные изменения. В связи с тяжелым экономическим кризисом сокращается или даже прекращается вовсе ряд аналитических программ (прежде всего, спектроаналитические исследования). В противовес этому центр тяжести переносится на применение и развитие компьютерных технологий обработки накопленных гигантских баз данных. В лабораторию приходят новые сотрудники - С.В. Кузьминых, Т.О. Тенейшвили, Е.Ю. Лебедева, Е.Е. Антипина, Е.А. Спиридонова и др. Более активной становится и экспедиционная деятельность: основное достижение здесь - открытие и комплексное исследование в 1990-1999 гг. Каргалинского горно-металлургического центра на Южном Урале, наиболее мощного и древнейшего в Северной Евразии.

В декабре 2012 г. в Институте археологии РАН при активном участии сотрудников лаборатории прошла конференция «Мегаструктура Евразийского мира: основные этапы формирования». Представленные на ней материалы отражают основные результаты изысканий, проведенных в рамках одноименной программы инициативных проектов ориентированных фундаментальных исследований, поддержанной в 2011-2012 гг. Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ).

В настоящее время исследования сотрудников лаборатории ведутся в рамках коллективной плановой темы «Изучение структуры и динамики сложения древних и средневековых культур на базе естественнонаучных методов: палеоэкология, модели жизнеобеспечения, абсолютная хронология» (2014-2016 гг.; рук.чл.-корр. РАН, д.и.н. Черных Е.Н.).