作物研究所最早成立于1958年。原名为甘肃省农科院粮食作物研究所，主要从事春小麦、冬小麦、糜子、谷子、玉米、马铃薯育种工作。1962年11月，粮食作物研究所与经济作物所、新技术研究所合并为作物研究所，主要从事春小麦、冬小麦、玉米、糜谷、马铃薯、经济作物（棉花、油菜、胡麻、甜菜、茶叶、中药材等）、高粱育种研究。1973年7月3日，根据省农业厅指示，院党委常委研究决定：恢复粮食作物研究所，研究所机构设置有所办公室、小麦育种研究室（春小麦、冬小麦）、糜谷育种研究室、玉米育种研究室、马铃薯育种研究室、高粱育种研究室。由于我省和农业科研工作需要，以后逐步成立了品种资源研究室、作物栽培研究室、啤酒大麦研究室、生物技术中心。

2006年11月，科研机构改革将粮食作物研究所和经济作物研究所撤销，合并成立作物研究所，并将原粮食作物研究所马铃薯育种中心分出，成立马铃薯研究所。现作物研究所设1个所办公室，品种资源研究室、玉米研究室、杂粮研究室、胡麻研究室、油菜研究室、向日葵研究室、棉花研究室、豆类研究室、高粱研究室等9个研究室，1个作物遗传育种实验室；作物研究所还拥有1个国家油料作物改良中心胡麻分中心、2个农业部学科群野外科学观测站、1个国家胡麻产业技术体系研发中心、1个省级胡麻工程中心等5个国家和省级科研平台，1个省级农作物品种资源库和4个院级专业试验站。全所编制72人，在职职工68人，科研人员58人，其中高级职称25人，硕士以上30人，国家有突出贡献中青年专家1人、国家“百千万人才工程”1人，甘肃省领军人才6人。

建所以来共取得科技成果516项，其中获奖成果 172项，获国家奖10项、省部级 108项、地厅级76项、其它奖12项；审定、推广作物品种136个。“十二五”期间，国家和省级各类科研项目94项获准立项，合同经费4552万元，到位经费4802.28万元。获奖成果10项，其中省科技进步二等奖3项、三等奖3项，中华农业科技奖三等奖1项，中国商业联合会科学技术奖一等奖1项。育成24个作物新品种通过国家或省级审（鉴、认）定，其中国审（鉴）定品种6个，省级审（认）定品种18个。制定甘肃省地方标准25项，获国家授权专利或植物新品种权6项。共收集作物资源1978份，繁殖更新3979份，鉴定与扩繁762份，入库2018份。累计示范推广各类作物新品种及配套栽培技术1680.3万亩，新增产值10.63亿元，获经济效益6.15亿元，为促进我省农业生产的发展做出了突出贡献。