廣州地球化學研究所的前身為中國科學院地球化學研究所廣州分部。1987年，中國科學院地球化學研究所整建制搬遷部分學科、研究室、學術帶頭人與原中國科學院廣州地質新技術研究所合并，成立中國科學院地球化學研究所廣州分部。1994年經中央機構編制委員會辦公室批準使用現名。廣州地化所現有有機地球化學、同位素地球化學2個國家重點實驗室，邊緣海與大洋地質、礦物學與成礦學2個中國科學院重點實驗室，資源環境利用與保護、礦物物理與礦物材料研究開發2個廣東省重點實驗室，國家大型科學儀器中心“廣州質譜中心”，中國科學院珠江三角洲環境污染與控制研究中心，與香港大學地球科學系聯合建立的“化學地球動力學聯合實驗室”，與香港理工大學共建的“粵港澳大灣區環境污染研究與控制聯合實驗室”，與英國蘭卡斯特大學環境中心和城市環境所聯合組建的“國際環境研究與創新中心”，與澳門科技大學、香港大學共建的“粵港澳大灣區地球和行星科學聯合研究中心”等。