Malzeme Ünitesi 1968 yılında İTÜ Kampüsü'nde, Kimya Mühendisliği Araştırma Ünitesi Eylül 1973'te Gebze'deki mevcut tesislerde çalışmalarına başlamıştır. Ünite içinde yer alan Çevre Grubu 1991 yılında ayrılarak Çevre Mühendisliği Bölümünü oluşturmuştur. Kimya Bölümü ise 1983 yılında Temel Bilimler Araştırma Enstitüsü'nde kurulmuş, 1996 yılında TÜBİTAK MAM'a bağlanmıştır.
Şubat 1996'da, daha önce Teknolojik Araştırmalar Başkan Yardımcılığı'na bağlı olarak etkinlik göstermekte olan Malzeme, Kimya Mühendisliği ve Gıda Bölümlerini bir araya getirmesiyle, MKTAE kurulmuştur. Ağustos 1996'da Temel Bilimler Araştırma Enstitüsü'ne bağlı Kimya Bölümü de Malzeme ve Kimya Teknolojileri Araştırma Enstitüsü'nün yönetiminde çalışmalarını sürdürmeye başlamış ve Ocak 1997 tarihinde de Gıda Bölümü ayrı bir enstitü olarak MKTAE'den ayrılmıştır.
Ekim 2004'te MKTAE, Kimya Bölümü'nün ayrılması ile Malzeme Enstitüsü'ne dönüşmüş, Kimya Bölümü de, ESÇAE'den ayrılan Çevre Bölümü ile birlikte Kimya ve Çevre Enstitüsü'nü oluşturmuştur.