广州地球化学研究所的前身为中国科学院地球化学研究所广州分部。1987年，中国科学院地球化学研究所整建制搬迁部分学科、研究室、学术带头人与原中国科学院广州地质新技术研究所合并，成立中国科学院地球化学研究所广州分部。1994年经中央机构编制委员会办公室批准使用现名。广州地化所现有有机地球化学、同位素地球化学2个国家重点实验室，边缘海与大洋地质、矿物学与成矿学2个中国科学院重点实验室，资源环境利用与保护、矿物物理与矿物材料研究开发2个广东省重点实验室，国家大型科学仪器中心“广州质谱中心”，中国科学院珠江三角洲环境污染与控制研究中心，与香港大学地球科学系联合建立的“化学地球动力学联合实验室”，与香港理工大学共建的“粤港澳大湾区环境污染研究与控制联合实验室”，与英国兰卡斯特大学环境中心和城市环境所联合组建的“国际环境研究与创新中心”，与澳门科技大学、香港大学共建的“粤港澳大湾区地球和行星科学联合研究中心”等。