1967年初，聂荣臻副总理在向中央呈送报告，提出了组建空间技术研究院的建议，并于8月成立了空间技术研究院筹备处。11月，国防科委批准了由钱学森、常勇领导下的空间技术研究院筹备处提出的研究院编制方案，确定了研究院的任务以及各组成单位的方向、任务、分工等。1968年2月20日，由中国科学院卫星设计院、自动化研究所、力学研究所分部、应用地球物理研究所、电工研究所、西南电子研究所、生物物理研究所、兰州物理研究所、北京科学仪器厂、上海科学仪器厂、山西太谷科学仪器厂、第七机械工业部第八设计院（原上海机电研究院、现五院508所）、军事医学科学院第三研究所等单位从事空间飞行器研究的力量为基础进行组建，正式成立了中国空间技术研究院，钱学森任第一任院长。
1968年底，研究院下属总体设计部、空间控制技术研究所、空间电子技术研究所、空间物理及探测技术研究所、电火箭研究所、宇宙医学与工程研究所、真空技术研究所、北京科学仪器厂、上海科学仪器厂等12个单位，共计员工8570人。1964年12月26日，三届全国人大一次会议通过成立第七机械工业部的决议。在国防部第五研究院基础上成立中华人民共和国第七机械工业部。
1970年4月24日，中国空间技术研究院成功研制并发射了中国第一颗人造地球卫星——东方红一号，开创了中国探索外层空间的新纪元。1973年7月24日，研究院正式划归第七机械工业部。1975年11月26日，研究院研制的中国第一颗返回式卫星发射成功，中国成为继美、苏之后世界上第三个掌握卫星返回技术的国家。1982年3月8日，第七机械工业部改称为航天工业部，研究院归属航天工业部。
1984年4月8日，研究院研制的中国第一颗试验通信卫星——东方红二号发射成功，中国成为世界上第五个独立研制和发射地球静止轨道卫星的国家。1988年4月9日，国务院撤销航空工业部和航天工业部，组建航空航天工业部，研究院归属航空航天工业部。9月7日，研究院研制的中国第一颗极轨气象卫星——风云一号发射成功，中国成为世界上第三个独立研制和发射极轨气象卫星的国家。
1999年5月10日，研究院研制的中国第一颗现代小卫星——实践五号发射成功，中国第一个小卫星公用平台---CAST968正式形成。7月1日，经国务院批准，中国航天科技集团公司正式成立，研究院归属中国航天科技集团公司。10月14日，研究院与巴西空间院联合研制的第一颗传输型遥感卫星资源一号发射成功，被誉为高科技领域“南南合作”的典范。
2000年10月31日，研究院研制的中国第一颗导航卫星北斗一号发射成功，中国成为世界上第三个独立研制和发射导航定位卫星的国家。 2003年10月，研究院研制的神舟五号载人飞船载人航天飞行获得圆满成功，使中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，树立了中国航天史上一座新的里程碑。2007年10月，研制并发射的中国首颗月球探测器，成功进入环月轨道，实现了空间技术的新跨越2008年9月，研制发射的神舟七号载人飞船成功实现了中国航天员首次空间出舱活动，标志着中国载人航天事业发展实现了新的重大突破。
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