ITER được đề xuất từ năm 1985 bởi Reagan–Gorbachev[17][18] với sự tham gia ngang hàng của Liên Xô, Cộng đồng Năng lượng nguyên tử châu Âu, Hoa Kỳ, và Nhật Bản trong suốt giai đoạn thiết kế ban đầu từ 1988 đến 1998.

Một dự án nghiên cứu năng lượng được hai nhà vật lý xem xét, Alvin Trivelpiece và Evgeny Velikhov. Dự án bao gồm sự hợp tác trong giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu hợp hạch từ tính — xây dựng một mô hình thử nghiệm. Vào lúc đó, nghiên cứu hợp hạch từ tính đang diễn tiến tại Nhật Bản, châu Âu, Liên Xô và Hoa Kỳ. Velikhov và Trivelpiece tin rằng bước tiếp theo trong nghiên cứu hợp hạch sẽ vượt quá ngân sách của bất kỳ quốc gia nào và hợp tác sẽ có ích cho tất cả các bên.

Chính phủ Hoa Kỳ ban đầu không đồng tính với dự án, với lý do là Liên Xô sẽ dùng nó để đánh cắp công nghệ và kiến thức của Hoa Kỳ. Một lý do khác mang tính biểu tượng — nhà vật lý Andrei Sakharov đang bị giam giữ tại Liên Xô và Mỹ muốn gây sức ép lên Liên Xô về những vấn đề nhân quyền. Tuy nhiên, Hội đồng An ninh Quốc gia Hoa Kỳ tổ chức một cuộc họp dưới sự chỉ đạo của William Flynn Martin đã quyết định rằng Hoa Kỳ nên theo đuổi dự án này.

Martin và Velikhov hoàn thành thỏa thuận tại Hội nghị và thông báo trong đoạn cuối cùng, "... Hai lãnh đạo nhấn mạnh tầm quan trọng của công việc nhằm sử dụng nhiệt hạch cho mục đích hòa bình và, trong mối quan hệ này, ủng hộ sự phát triển thực tiễn của sự hợp tác quốc tế trong việc điều khiển nguồn năng lượng này, gần như là vô tận, vì lợi ích của toàn nhân loại".[19]

Ban đầu, ITER có bốn thành viên là EU, Nhật Bản, Nga (thay thế Liên Xô), và Hoa Kỳ (rời khỏi dự án năm 1999 và quay lại năm 2003).[20] Các nước khác tham gia dự án bao gồm Canada, Trung Quốc, Hàn Quốc, và Ấn Độ, tuy nhiên Canada rút khỏi thỏa thuận cuối năm 2003.[21][22]

Ngày 28 tháng 6 năm 2005, ITER đưa thông báo chính thức về địa điểm xây dựng tại miền nam nước Pháp. Quyết định này là sự thỏa hiệp giữa Liên minh châu Âu và Nhật Bản, rằng Nhật sẽ cung cấo 20% lực lượng nghiên cứu tại địa điểm đặt ITER, cũng như giữ vai trò chỉ đạo cơ quan quản lý dự án. Ngoài ra, một cơ sở nghiên cứu khác cho dự án sẽ được xây tại Nhật Bản, và Liên minh châu Ấu đồng ý đóng góp 50% chi phí của cơ sở này.[23]

Ngày 21 tháng 11 năm 2006, thỏa thuận xây dựng lò phản ứng tại Cadarache, Pháp, chính thức được kí kết.[24] Ngày 24 tháng 10 năm 2007, Thỏa thuận ITER chính thức đi vào hiệu lực và Tổ chức ITER được hình thành.[21]

Năm 2016, tổ chức ITER ký một thỏa thuận hợp tác kỹ thuật với cơ quan hợp hạch quốc gia của Úc, cho phép nước này tiếp cận kết quả nghiên cứu của ITER, đổi lại việc chế tạo một số bộ phận của thiết bị.[25]

Dự án bắt đầu giai đoạn lắp ráp 5 năm vào tháng 7 năm 2020, khởi xướng bởi tổng thống Emmanuel Macron với sự hiện diện của những thành viên khác trong tổ chức ITER.[26]