Organisée au départ autour de deux cellules dénommées "recherche urbaine" et "innovation dans les transports", la mission des Études et de la Recherche se spécialise au début des années 1980 avec le recrutement de chargés de mission spécialistes des milieux physiques, de l'architecture, de la construction ou du génie civil. La mission se structure en services (service d'orientation et de programmation générales, service de coordination administrative et financière, service de coordination des études).
Avec la création, en 1984, de la délégation à la Recherche et à l'Innovation, se mettent en place un service coordination, programme et gestion, un groupe des chargés de mission scientifiques et une mission d'évaluation prospective.
La direction de la Recherche et des Affaires scientifiques et techniques, créée en 1992, voit naître des sous-directions (sous-direction du financement et de l'évaluation des programmes, sous-direction du développement scientifique et technique, centre de prospective et de veille scientifique, mission de la recherche et de l'innovation dans les transports, mission de la recherche et de l'innovation en génie civil).
Après la fusion des ministères de la Construction et des Travaux publics en un grand ministère de l'Équipement en janvier 1966, l'administration centrale se dote de nouvelles entités dont une spécialisée dans la recherche. Durant dix années, une cellule, appelée mission de la Recherche, travaille en étroite collaboration avec le service des Affaires économiques et internationales. Cette mission est chargée de proposer les mesures propres à assurer le développement de la recherche, d'études prospectives ainsi que de la répartition des enveloppes budgétaires dédiées. Elle assure également le secrétariat du Conseil supérieur de la recherche du ministère et travaille en liaison avec la Délégation générale à la recherche scientifique (DGRST).
En 1978 et jusqu'en 1984, la mission des Études et de la Recherche se structure autour de différents champs de recherche tels que les milieux physiques, l'architecture, l'urbanisme, le logement, la construction, le génie civil.
Par le décret 84-56 du 25 janvier 1984, la mission devient délégation à la Recherche et à l'Innovation. Elle est chargée de l'animation de la politique de recherche et d'expérimentation, des travaux de recherche prospective, de la tutelle scientifique des organismes et services de recherche (Centre scientifique et technique du bâtiment, Institut géographique national, Laboratoire central des Ponts et chaussées). La délégation assure également l'animation de la recherche au sein d'établissements d'enseignement tels que l'École nationale des Ponts et chaussées ou l'École nationale des Travaux publics de l'État.
En 1992, la délégation à la Recherche et à l'Innovation fait place à la direction de la Recherche et des Affaires scientifiques et techniques. La direction définit des orientations générales pour le réseau des organismes techniques relevant du ministère. Elle élabore les propositions budgétaires du ministère pour le budget civil de la recherche et du développement. Elle définit et gère, en liaison avec le ministère chargé de la Recherche, les programmes pour la recherche-développement en génie civil. Elle assure l'animation scientifique et technique de ce réseau et la liaison avec l'ensemble des organismes et services de recherche. Elle veille à la diffusion des produits de la recherche et de l'innovation technique dans les services déconcentrés.
En 2005, la direction de la Recherche et des Affaires scientifiques et technique n'est plus rattachée directement au ministre, mais au tout nouveau Secrétariat général. Elle devient direction de la Recherche et de l'animation scientifique et technique.