为发展中国的核武器，解决高速摄影和耐辐照光学观测设备问题，1962年经中国科学院党组和二机部党组研究决定，由著名科学家、我国光学事业创始人之一的龚祖同学部委员任所长，带领长春光机所一批科技骨干和中科院新技术局副局长苏景一同志一同来到西安，与西安原子能所、应用光学所、机械所部分同志一起建立了中国科学院西安光学精密机械研究所。
1963年，西安光机所承担了每秒20万次高速摄影机和长焦距克尔盒高速摄影机的研制任务，从此开始了西安光机所"边筹建、边科研、边培干"的艰苦创业历程。1964年6月完成了高速摄影机的研制，参加了我国第一次核武器试验，获得圆满成功。
1967年，我所研制成功每秒250万幅高速摄影机，在我国第一次氢弹试验中成功使用。
1969年，我所研制的高速摄影机参加了我国首次地下核试验。
经过十几年的艰苦创业，我所在高速摄影研究领域步入了国际先进行列，研制了各种类型高速摄影设备，其中光机式高速摄影的频率从每秒几十幅到两千万幅；变象管高速摄影机的时间分辨率从微秒（10-6秒）到纳秒（10-9秒）到皮秒（10-12秒）.改革开放之后，曾任国际高速摄影学会主席的著名高速摄影家海泽尔到该所参观，使他大吃一惊，认为这个所是世界上少有的技术完整，成效卓著的高速摄影研究机构，因而推荐龚老获得国际高速摄影的荣誉奖章--Photo-Sonics奖"。
龚先生高瞻远瞩，率先开展了纤维光学、梯度折射率光学及特种光学材料等方面的研究，成功地研制出我国第一块耐辐射光学玻璃、第一根光纤、第一台光纤胃镜和第一个自聚焦微型透镜，为这些学科领域的发展奠定了坚实的基础。
西安光机所缔造者、首任所长、著名光学专家龚祖同院士（学部委员）
步入八十年代以后，西安光机所迎来了改革开放的新时代，薛鸣球院士、侯洵院士和赵葆常研究员先后担任西安光机所所长，他们根据中科院的办院方针，开拓进取，积极改革,不断加大科技体制改革的力度，调整研究课题，拓展学科领域和科研发展方向，在瞬态光学与光电子学、光电工程、空间光学和信息光学等研究领域，面向国家战略发展、国民经济建设和国家安全需求，积极争取承担国家重大科研任务，使西安光机所逐步发展成为中科院的一个以高技术创新与应用基础研究为主的综合性科研基地型研究所。
期间西安光机所在瞬态光学和光电子学研究方面形成了特色，在国内占据着不可替代的地位，在国际上也有一定影响，有些研究课题达到国际先进水平。1991年，经国家批准建立了瞬态光学技术国家重点实验室，承担并完成了"八五"国家重大基础研究攀登计划“飞秒激光技术与超快过程研究"项目，侯洵院士任首席科学家，该项目"八五"期间获得6项国际先进水平的科研成果，超短激光脉冲产生技术的研究由原来19飞秒的国际最高水平提高到12飞秒。牛憨笨院士领导项目组研制的飞秒变象管时间分辨率达到300飞秒，X射线皮秒扫描和分幅技术也达到国际先进水平。
空间光学是我所"八五"后期迅速崛起的学科，1993年成立了空间光学研究室。空间光学研究室在高分辨率可见光成像、超光谱成像、小卫星CCD相机和空间特种探测等方面形成了自己的特色。薛鸣球院士提出了可变焦距遥感相机的构想，并组织开展关键技术预研，该项研究工作对我国航天遥感的发展和国家安全具有重要意义。干涉成像光谱技术是空间遥感技术的重要发展方向，也是国际成像光谱技术关注的前沿，在中国科学院的支持下，西安光机所在干涉成像光谱关键技术的研究获得重大进展。
1999年，中国科学院开始实施知识创新工程试点工作，相里斌担任西安光机所常务副所长、所长，在全所全体员工的积极配合和支持下，进行了一系列有计划有步骤的改革和创新。
为了增强凝聚力、提高竞争力，1999年，我所开始制定创新文化方案，确定了包括核心价值观念、组织观念、科研作风、核心理念等内容的研究所创新文化理念体系。通过实施创新文化，全所职工的精神面貌发生了巨大的变化，热爱西光所、奉献西光所的精神深入人心。
同时，通过凝炼和提升科技创新目标，我所在基础与应用基础研究、战略高技术创新和高技术产业化三个方面，确定了九个创新方向，推进了研究所的可持续发展。
2001年5月11日，我所作为光电集团（筹）成员之一，进入了中国科学院知识创新工程试点，这是我所发展历史中的一个里程碑。
全国人大常委会副委员长、中科院院甬祥院长为西安光机所题词
2005年10月，在中国科学院以及陕西省、西安市、西安高新开发区等各级政府和领导的深切关怀和大力支持下，在相里斌所长等几届所领导班子的精心运筹和直接指挥下，在全体工程建设者的辛勤努力下，我所历史上最大的一项园区建设工程项目经过两年零四个月的艰苦奋战，终于进入收获季节，一个面向21世纪，充满生机勃勃的现代化一流新科研园区在西安高新开发区新型工业园落成并开始投入使用。
2005年以来，赵卫担任西安光机所常务副所长、所长。同年，西安光机所顺利进入中科院三期创新工程。在此期间，西安光机所在空间光学方面捷报频传，成为航天领域的一支生力军。
2006年9月，中国科学院西安光学精密机械研究所在西安又一次成功举办了“第27届国际高速摄影和光子学会议”。来自我国以及美国、俄罗斯、英国、德国、日本、瑞典、澳大利亚、加拿大、法国、印度、荷兰、以色列、波兰、南非等15个国家的在本国高速摄影与光子学领域最高学术权威（该研究领域国家代表）及有关专家和学者近300人参加了本届大会。
2007年10月，西安光机所承担研制的CCD立体相机和干涉成像光谱仪随“嫦娥一号”卫星顺利发射上空，11月，发布中国首次月球探测工程第一幅月面图象。中共中央政治局常委、国务院总理温家宝为中国第一幅月面图像揭幕。
2008年9月，西安光机所承担研制的卫星有效载荷“超光谱成像仪”随我国首颗环境卫星顺利发射升空。
2008年9月，西安光机所为神七飞船成功研制了箭载摄像机、舱内摄像机光学系统，特别可喜的是，我所研制的舱外摄像机成功拍摄和记录了我国航天员首次出仓的画面，见证了中国人首次进行太空行走的历史性壮举。
三期创新以来，西安光机所把人才工作作为战略性部署，引进多名国内外高级人才。通过引进促进研究所科研成果转化和学科发展，大胆推进体制与机制的改革，积极探索以产学研运作模式，先后成立了先进光电与生物材料研发中心、钜光公司等，取得可喜成绩。
同时，西安光机所注重加强国际合作、院地合作，与西安交通大学、北京大学、中科院电子所、中科院化学所、中科院植物所、西安电子科技大学、西北大学、南开大学、天津大学等开展长期的合作研究；与美国密西根大学超快光学研究中心、瑞士联邦理工学院、德国马尔堡大学、美国堪萨斯州立大学、意大利"综合光子网络与技术研究中心"、俄罗斯科学院普通物理研究所等开展了广泛的交流与合作。其中“中/意超快光子通讯联合实验室”，正式纳入中意两国科技合作项目的框架之内。
大事记：
1962年3月，建立“中国科学院光学精密机械研究所西安分所”；
1965年12月，经中科院（65）院新综字第1203号文批准，更名为“中国科学院西安光学机械研究所”；
1970年11月，更名为“中国科学院西安光学精密机械研究所” ；至此，“中国科学院西安光学精密机械研究所”所名沿用至今。
1988年9月，由中国光学学会主办，西安光机所承办，中国光学事业的先驱严济慈和王大珩分别担任名誉主席和主席的“第18届国际高速摄影和光子学会议”在我国西安成功举行
1991年，经国家批准建立了瞬态光学技术国家重点实验室
1999年，进入中国科学院知识创新工程试点
2001年5月，我所作为光电集团（筹）成员之一，进入了中国科学院知识创新工程
2003年11月,瞬态光学技术国家重点实验室经国家科技部已批准更名为“瞬态光学与光子技术国家重点实验室”
2005年10月，西安光机所现代化新园区落成并投入使用
2006年9月，中国科学院西安光机所在西安又一次成功举办了“第27届国际高速摄影和光子学会议”。
2007年10月，西安光机所承担研制的CCD立体相机和干涉成像光谱仪随“嫦娥一号”卫星顺利发射上空，11月，发布中国首次月球探测工程第一幅月面图象。中共中央政治局常委、国务院总理温家宝为中国第一幅月面图像揭幕。
2008年9月，西安光机所为神七飞船成功研制了箭载摄像机、舱内摄像机光学系统，特别可喜的是，我所研制的舱外摄像机成功拍摄和记录了我国航天员首次出仓的画面，见证了中国人首次进行太空行走的历史性壮举。
