Tháng 6/2008, Phó Thủ tướng, Bộ trưởng Giáo dục và Đào tạo Nguyễn Thiện Nhân và Bộ trưởng Bộ Đại học và Nghiên cứu Pháp, bà Valérie Pécresse đã quyết định chọn Pháp là đối tác chiến lược nước ngoài của trường USTH. Dự án này đã được Ngân hàng Phát triển châu Á cấp vốn dưới hình thức cho vay.

Theo Quyết định số 2067/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 9 tháng 12 năm 2009, USTH được thành lập và xây dựng trường trong khuôn viên của Khu Công nghệ cao Hòa Lạc trong khuôn khổ các dự  án thành lập các trường công lập quốc tế theo mô hình tiên tiến. Cùng trong khuôn khổ dự án này, Chính phủ Việt Nam sẽ hợp tác với các đối tác quốc tế khác trong việc xây dựng một hệ thống các trường Đại học công lập quốc tế tại Hà Nội, Cần Thơ, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng.

Khi mới thành lập, trường đào tạo 6 chuyên ngành

• Công nghệ sinh học và dược học
• Hàng không và Vũ trụ
• Năng lượng
• Khoa học và Công nghê Thộng tin và Truyền thông
• Vật liệu – Công nghệ Nano
• Nước – Môi trường - Hải dương học

Một mốc phát triển quan trọng đối với USTH là Hiệp định cho vay 190 triệu USD giữa Ngân hàng Phát triển châu Á và Ngân hàng Nhà nước Việt Nam với Lễ ký kết diễn ra vào ngày 10/11/2011. Khoản vay này chủ yếu dành cho việc xây mới khuôn viên trường ở Hòa Lạc, Hà Nội. Dự kiến đến năm 2023, dự án sẽ được hoàn thành.

USTH đón nhận những nghiên cứu sinh Việt Nam đầu tiên đi đào tạo tại Pháp về làm giảng viên, nghiên cứu viên của trường vào tháng 12/2009.

Trên lĩnh vực học thuật, khóa học Hệ Đại học và Thạc sĩ đầu tiên ngành Khoa học Vật liệu – Công nghệ Nano và Ngành Công nghệ Sinh học khai giảng vào tháng 10/2010. Khóa Thạc sĩ đầu tiên ngành Năng lượng tái tạo và ngành Vũ trụ và Ứng dụng cùng khóa Tiến sĩ đầu tiên của trường được khai giảng lần lượt vào 10/2012 và 8/2014.

Để phục vụ cho hoạt động đào tạo, nghiên cứu và sự phát triển toàn diện của trường, USTH đã thành lập Trung tâm đào tạo Công nghệ quản lý vòng đời sản phẩm (PLMCC) vào tháng 6/2014. Bốn tháng sau, trường thành lập ba phòng thí nghiệm (PTN) hỗn hợp quốc tế bao gồm PTN Quốc tế về Hải dương học, PTN nghiên cứu về Khoa học máy tính thông minh và PTN về Năng lượng sạch và bền vững Lưu trữ 2018-03-07 tại Wayback Machine. Hiện nay, Nhà trường đã thành lập sáu phòng thí nghiệm hỗn hợp quốc tế nhằm phục vụ hoạt động giảng dạy và nghiên cứu của giảng viên, nghiên cứu viên và sinh viên.

Ngày 18/3/2016, Trường được Thủ tướng Chính phủ ra quyết định chuyển về trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Viện Hàn lâm), tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà khoa học cũng như các đơn vị trực thuộc của Viện Hàn lâm đóng góp tích cực hơn nữa vào sự nghiệp đào tạo của Nhà trường.

Tháng 10/2018, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 1434/QĐ-TTg phê duyệt điều chỉnh chủ trương dự án xây dựng Trường tại khu Công nghệ cao Hòa Lạc. Theo đó, cơ sở mới của USTH rộng 65ha bao gồm hệ thống phòng học và phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn quốc tế, phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu khoa học của giảng viên, nghiên cứu viên và sinh viên. Dự kiến đến năm 2023, dự án sẽ được hoàn thành.

Đặc biệt, ngày 2/11/2018, chính phủ hai nước Pháp – Việt Nam đã ký kết Hiệp định Liên chính phủ về phát triển USTH giai đoạn 2019-2023, trong đó hai bên cam kết xây dựng USTH trở thành một trường đại học xuất sắc đẳng cấp quốc tế và một trong những trường đại học hàng đầu Đông Nam Á.