中国目前的实验室大致可分为：校级/所级、市级、省/部级、国家重点实验室和国家实验室。其中国家重点实验室和国家工程实验室有几百个，唯独国家实验室的数量是寥寥无几。
我国级别最高的实验室为国家实验室。国家实验室是体现国家意志、实现国家使命、代表国家水平的战略科技力量，是面向国际科技竞争的创新基础平台，是保障国家安全的核心支撑，是突破型、引领型、平台型一体化的大型综合性研究基地。
国家计委在没有改组成国家发改委之前，陆续批准建设了以下五个国家实验室（至2000年底，全部通过验收）：
其中国家同步辐射实验室坐落于中国科学技术大学西校区，是我国第一个建成的国家实验室。该实验室于1983年4月8日获批立项，这也就是中科大西校区8348学术咖啡厅的来历。1985年我国国民经济进入调整时期，由于国家经费紧张，工程建设面临着下马的危险。严济慈将此事报告给邓小平同志，zy先后派胡启立、宋健到科大了解情况。在小平同志的支持下，同步辐射实验室工程不仅没有下马，反而克服困难，加紧建设。
正负电子对撞机国家实验室位于中国科学院高能物理所。1984年10月7日，邓小平在正负电子对撞机国家实验室奠基典礼上为基石培上第一锹土。该实验室是近日电视剧《三体》里面"良湘加速器"的原型。
2003年，科技部批准新的第一批共计5个国家实验室并开始筹建，然而经过这么多年的建设，这些实验室依旧没有拿掉“筹”字。2019年前后科技部将这批实验室转为了国家研究中心。
其中合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）坐落于中国科学技术大学东校区，该实验室2021年被美国商务部工业与安全局列入制裁实体清单。
2006年12月5日，科技部召开国家实验室工作通气会，决定扩大国家实验室试点，启动海洋、航空航天、人口与健康、核能、新能源、先进制造、量子调控、蛋白质研究、农业和轨道交通等10个重要方向的国家实验室筹建工作。
针对2006年的这批，事实上并没有经过国家的正式批准建设，第一批（2003年）是经过正式批准立项进行建设的，第二批（2006年）只是让一些单位上报申请书，但没有经过科技部批准立项。迟迟得不到批复令各实验室人员感到委屈，大连化物所的洁净能源国家实验室筹备启动时，科技部相关人员甚至没有出席。
情况后来出现好转，2011年10月，科技部副部长陈小娅陆续视察调研了中国科学院大连化物所、生物物理所等第二批国家实验室建设单位。这一批仅得到地方支持的未批先建"黑户口"国家实验室（筹），各依托单位正在积极发展，争取能够像2003年这批筹办的国家实验室一样转为国家研究中心。
