Phòng Thí nghiệm Vật lý Quốc gia được thành lập vào năm 1900 với nhiệm vụ "tiêu chuẩn hóa và kiểm định các dụng cụ, để thử nghiệm vật liệu và để xác định các hằng số vật lý"[6] với trụ sở ban đầu tại tòa nhà Bushy House (một kiến trúc cổ xây dựng từ năm 1663) – do Vua George V trao tặng và khai trương. Phòng thí nghiệm phát triển theo thời gian và được mở rộng với nhiều tòa nhà và phòng thí nghiệm được xây dựng tại thị trấn Teddington trong những năm tiếp theo.

Phòng thí nghiệm ban đầu do chính phủ Vương quốc Anh điều hành, với các thành viên là các công chức chính phủ. Quản lý NPL được cải cách vào năm 1995 theo mô hình Nhà thầu do Chính phủ điều hành, Serco thắng thầu và tất cả nhân viên được chuyển sang làm việc cho họ. Theo chế độ này, chi phí chung giảm một nửa, doanh thu của tăng 16% mỗi năm và số lượng công trình nghiên cứu tăng gấp đôi. Năm 2012, NPL lại thay đổi mô hình hoạt động từ năm 2014 trở đi trong đó bao gồm các đối tác học thuật và bổ sung công tác đào tạo sau đại học. Ngày chuyển đổi sau đó đã bị hoãn lại đến một năm. Các ứng cử viên cho đối tác học tập chính là các trường Đại học Edinburgh, Southampton, Strathclyde và Surrey với một liên minh của các trường Đại học Strathclyde và Surrey được chọn làm đối tác ưu tiên.

Vào tháng 1 năm 2013, ngân sách tài trợ cho Phòng thí nghiệm Đo lường Tiên tiến mới trị giá 25 triệu bảng Anh đã được công bố sẽ được xây dựng trên nền của một tòa nhà chưa sử dụng hiện có. Hoạt động của phòng thí nghiệm được chuyển giao lại cho Bộ Kinh doanh, Đổi mới và Kỹ năng (nay là Bộ Kinh doanh, Năng lượng và Chiến lược Công nghiệp) vào ngày 1 tháng 1 năm 2015.