植物暨微生物學研究所前身為「植物學研究所」（簡稱植物所），為中央研究院（簡稱中研院）最早成立的研究所之一。其起源可追溯至1929年春在中國南京成立的中研院自然歷史博物館，研究部門包含動物組及植物組。隨後於1934年秋更名為「動植物研究所」，由王家楫先生擔任首任所長，鄧叔群先生任植物組主任，設立高等植物學、真菌學與植物病理學二研究室。1936年冬，為拓展研究領域，增設藻類學研究室。抗戰軍興以後，動植物研究所數度播遷，自南京先遷衡陽，再遷陽朔，復遷至重慶。1944年3月，中研院第二屆評議會於重慶召開第二次年會，議決將原有之動植物研究所分設為動物研究所及植物研究所。同年5月1日植物研究所正式成立，由羅宗洛博士擔任所長，以高等植物分類學與藻類學為主要研究領域。抗戰勝利後，植物研究所遷至上海。自成立以來，單位歷有增設，至1947年底，先後成立（一）高等植物分類學、（二）真菌學、（三）藻類學、（四）植物生理學、（五）森林學、（六）植物形態學、（七）植物病理學及（八）細胞遺傳學，共八個研究室。

1949年中研院隨中央政府播遷臺灣，由於當時本所研究人員幾乎滯留大陸，研究工作遂告中斷。直到1954年，朱家驊院長延聘本所資深研究員李先聞博士主持在臺復所的籌備工作。復所初期十分艱難，既無固定所址，亦缺乏從事研究工作的適當人才，研究設備更是匱乏。李博士暫將新聘人員以合作方式安頓於臺灣糖業試驗所、國立臺灣大學等研究機構，並利用其研究機構的設備有計畫地進行研究工作，當時核心研究方向為李博士所領導的水稻細胞遺傳學研究。

1959年，國家長期發展科學委員會（簡稱「長科會」，現今國科會前身）補助中研院在南港本院現址興建生物館。1961年夏新館落成，人員隨之遷入集中進行研究工作，在臺復所後的規模始具雛形。1962年，植物所在臺正式成立，由李先聞博士擔任所長，研究範疇涵蓋水稻細胞遺傳、放射線誘變育種、微生物以及竹筍醣類之代謝等。研究所需之經費、儀器及圖書設備之添置由長科會補助，並在國際合作之研究計畫下，獲得國際原子能總署、國際稻米研究所及美國農業部之資助，使植物所逐漸茁壯。本所研究人員之培植與訓練亦在李所長之長期計畫下，一方面利用暑期延攬國際知名的專家學者來訪進行教學，同時選送所內人員赴國外進修，學成歸來後貢獻所學於研究工作。

1972年，李先聞博士退休，但仍積極參與研究工作，並鼓勵與指導同仁，而所長之職務由郭宗德博士接任。隨著研究人員陸續增加，以及研究範疇逐步拓展，1974年夏在國科會的支持下興建研究大樓（即現今之李先聞紀念館，亦稱爲本所南樓），並於1975年竣工。李博士在大樓啟用時，特以「多想多做，使科學為人類造福」十二個字頒贈本所，以表達他對植物所之期望與勉勵。

2005年，為凸顯本所研究重點，於5月經院務會議通過更名為「植物暨微生物學研究所」，並相應地調整了英文名稱，由「Institute of Botany」改為「Institute of Plant and Microbial Biology」。同時，為因應本所規模持續擴展的空間需求，時任所長賀端華博士積極向李遠哲院長爭取，最終獲准於植微所北樓北側興建一棟七層樓大樓，即今日的農業科技大樓。該大樓於2009年落成啟用，與本院農業生物科技研究中心共同使用，其中一樓為行政空間，二樓為核心實驗室，三、四樓為本所實驗室。新舊大樓之間以空橋銜接，不僅優化空間配置，也大幅提升研究與行政運作的便利性。