Das Institut wurde 1930 als Kaiser-Wilhelm-Institut gegründet, um Methoden der Physik und Chemie in die medizinische Grundlagenforschung einzuführen. Die Abteilungen für Chemie, Physiologie und Biophysik konzentrierten sich auf biophysikalische und chemische Fragestellungen, in der Tradition der Naturstoffchemie des Instituts. Mit einer Abteilung für Molekularbiologie wurde in den 60er Jahren neuen Entwicklungen in der Biologie Rechnung getragen. Ende der 80er Jahre und während der 90er Jahre kamen Untersuchungen zu spezifischen Funktionen von Muskel- und Nervenzellen hinzu. Neue Abteilungen für Zellphysiologie (1989), Molekulare Zellforschung (1992-1999), Molekulare Neurobiologie (1995), Biomedizinische Optik (1999) und Biomolekulare Mechanismen (2002) wurden gegründet. Zusätzlich wurden die Nachwuchsgruppen Ionenkanalstruktur (1997-2003), Entwicklungsgenetik (1999-2005), Neurophysiologie des Verhaltens (2008) und Entwicklungsgenetik des Nervensystems (2008) eingerichtet. Am Institut arbeiteten seit seiner Gründung fünf Nobelpreisträger: Meyerhof (Physiologie), Kuhn (Chemie), Bothe (Physik), Mößbauer (Physik) und Sakmann (Physiologie oder Medizin).