1985年3月，中科院西安黄土与第四纪地质研究室正式建立。第一任研究室主任由刘东生院士担任，安芷生先生任副主任。实验室工作人员由中科院贵阳地球化学研究所抽调8名科研人员，加上外单位科研和行政人员7人共15人组成。
1987年8月，中科院西安黄土与第四纪地质研究室被中国科学院正式批准为开放实验室，实现了黄土与第四纪地质研究室自搬迁到西安后的第一步跨越。
1993年3月，受国家计委委托，中国科学院对该室进行了“国家重点实验室建设计划”的论证。中科院黄土与第四纪地质国家重点实验室第一任主任是安芷生院士，学术委员会主任是丁国瑜院士。从中科院开放实验室进入到国家重点实验室，实现了第二步跨越。
1999年，中科院黄土与第四纪地质国家重点实验室升格为地球环境研究所，并于1999年5月整体进入创新工程试点，研究所名誉所长是刘东生院士，第一任所长由安芷生院士担任。这是该所历史上的第三次跨跃。
2002年8月-2006年7月，郭正堂研究员为第2任所长。按照中国科学院知识创新工程三期的要求，研究所创新岗位增加到80个，在学的博士、硕士研究生人数达到87人，在此期间，在中国科学院、教育部和科技部的支持下，中科院地球环境研究所与西安交通大学合作共建了“西安加速器质谱中心”实验室。
2006年8月至今，中国科学院党组决定在中国科学院地球环境研究所试行轮值所长负责制，第一任执行所长为周卫健（女）研究员（第3任所长），副所长为刘禹研究员、刘晓东研究员、曹军骥研究员。新一届所行政班子，努力实现从“过去全球变化研究”到“过去与现代相结合的全球变化研究”的转变；实现“从季风环境到季风－干旱环境”乃至“区域与全球变化研究相结合”的转变；实现“从自然过程到自然与人类相互作用过程”的转变，将科研布局整合为当前的4个研究室：古环境研究室、现代环境研究室、粉尘与环境研究室和加速器质谱中心，争取把研究所建设成为国际高水平的大陆环境科学研究基地和人才培养基地。
