1985年3月，中國科學院西安黃土與第四紀地質(zhì)研究室正式建立。第一任研究室主任由劉東生院士擔任，安芷生先生任副主任。實驗室工作人員由中國科學院貴陽地球化學研究所抽調(diào)8名科研人員，加上外單位科研和行政人員7人共15人組成。
1987年8月，中國科學院西安黃土與第四紀地質(zhì)研究室被中國科學院正式批準為開放實驗室，實現(xiàn)了黃土與第四紀地質(zhì)研究室自搬遷到西安后的第一步跨越。
1993年3月，受國家計委委托，中國科學院對該室進行了“國家重點實驗室建設計劃”的論證。中國科學院黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室第一任主任是安芷生院士，學術委員會主任是丁國瑜院士。從中國科學院開放實驗室進入到國家重點實驗室，實現(xiàn)了第二步跨越。
1999年，中國科學院黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室升格為地球環(huán)境研究所，并于1999年5月整體進入創(chuàng)新工程試點，研究所名譽所長是劉東生院士，所長由安芷生院士擔任。這是我所歷史上的第三次跨躍。
2002年8月-2006年7月，郭正堂研究員擔任所長。按照中國科學院知識創(chuàng)新工程三期的要求，研究所創(chuàng)新崗位增加到80個，在學的博士、碩士研究生人數(shù)達到87人，在此期間，在中國科學院、教育部和科技部的支持下，中國科學院地球環(huán)境研究所與西安交通大學合作共建了“西安加速器質(zhì)譜中心”實驗室。
2006年8月-2016年12月，中國科學院黨組決定在中國科學院地球環(huán)境研究所試行輪值所長負責制，第一任執(zhí)行所長為周衛(wèi)健（女）研究員，副所長為劉禹研究員、劉曉東研究員、曹軍驥研究員。努力實現(xiàn)從“過去全球變化研究”到“過去與現(xiàn)代相結合的全球變化研究”的轉變；實現(xiàn)“從季風環(huán)境到季風－干旱環(huán)境”乃至“區(qū)域與全球變化研究相結合”的轉變；實現(xiàn)“從自然過程到自然與人類相互作用過程”的轉變，將科研布局整合為5個研究室：古環(huán)境研究室、現(xiàn)代環(huán)境研究室、加速器質(zhì)譜中心、粉塵與環(huán)境研究室和生態(tài)環(huán)境研究室。
2017年1月至今，地球環(huán)境所秉承“如履薄冰、奮發(fā)圖強”的黃土精神，扎根西部、砥礪前行，提出了一系列原創(chuàng)理論，使中國黃土成為國際公認的全球變化三大支柱之一，不斷引領黃土與全球變化研究。目前，地球環(huán)境所有五個研究單元、七個管理部門、四個支撐系統(tǒng)，擁有黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室、兩個國家野外科學觀測研究站和三個省部級重點實驗室，是科技部認定的國際科技合作基地和創(chuàng)新人才培養(yǎng)示范基地，是中國科協(xié)認定的首批全國科普教育基地。