实验室发展历史可追溯到1994年成立的北航虚拟现实技术研究所；2000年，经教育部批准，成为我国第一个专门研究虚拟现实技术的省部级研究基地一虚拟现实新技术教育部重点实验室；2007年，经科技部批准，筹建虚拟现实技术与系统国家重点实验室，同年，挂牌中关村国家自主创新示范区。

虚拟现实技术与系统国家重点实验室是由“虚拟现实新技术教育部重点实验室(北航)”、1997年航空工业总公司批准建设的“先进仿真技术航空科技重点实验室”和1999年北京市政府批准建设的 “数字化设计与制造北京市重点实验室”三个省部级重点实验室整合而成。在一期、二期“211工程建设”中投入200万元进行学科建设；在“985工程”建设中投入2400万元建设了以实验室为主体的“虚拟现实技术科技平台”。

2010年12月，实验室通过科技部的验收，正式成为国内第一个专门从事虚拟现实技术与系统研究的国家重点实验室。作为国内最早开展虚拟现实技术研究与应用的单位之一，经过多年的发展建设，形成了团队学科交叉、背景军民结合、理论研究与系统研制并重、技术突破与行业应用衔接的优势特色。实验室围绕航空航天、国防军事、医疗手术、装备制造和文化教育等五个领域的重大应用需求，瞄准虚拟现实国际发展前沿，深入进行理论研究、技术突破、系统研制和应用示范；培养和凝聚高层次创新人才，加强实验室科研条件和环境建设；积极开展国内外学术交流和产学研合作，使实验室成为我国虚拟现实领域条件好、水平高、有影响的国家级科研基地，发挥了技术带动和应用推动的作用。