วันที่ 14 พฤษภาคม พ.ศ. 2501 คณะรัฐมนตรีมีมติอนุมัติให้คณะกรรมการพลังงานปรมาณูเพื่อสันติเปิดการประกวดราคาเครื่องปฎิกรณ์ปรมาณู และวันที่ 22 พฤศจิกายน พ.ศ. 2501 มีการลงนามในสัญญาสั่งซื้อเครื่องปฎิกรณ์ปรมาณูวิจัยจากบริษัทเคอร์ติสไรต์ สหรัฐอเมริกา จากนั้นคณะกรรมการฯ มีมติเมื่อวันที่ 20 พฤษภาคม พ.ศ. 2503 เห็นชอบให้ใช้ที่ดินของมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์บางเขน ถนนศรีรับสุข (ถนนวิภาวดีรังสิต ในปัจจุบัน) เป็นสถานที่ก่อสร้างอาคารปฎิกรณ์ปรมาณู เนื่องจากการดำเนินการที่ผ่านมาของคณะกรรมการฯ ใช้กรมวิทยาศาสตร์ (กรมวิทยาศาสตร์บริการปัจจุบัน) เป็นสถานที่ทำการชั่วคราวและรัฐบาลยังมิได้มอบหมายให้หน่วยงานใดมีหน้าที่รับผิดชอบโดยตรงในโครงการก่อสร้างอาคารและติดตั้งเครื่องปฏิกรณ์ฯ ในระยะเริ่มแรกจึงต้องใช้วิธียืมบุคลากรจากหน่วยราชการต่างๆ ซึ่งส่วนใหญ่เคยผ่านการศึกษาอบรมในสาขาต่างๆ ทางวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ หรือวิศวกรรมเครื่องปฏิกรณ์ฯ จากต่างประเทศมาปฏิบัติงาน โดยรับช่วงงานภาคปฏิบัติจากคณะกรรมการฯ ซึ่งเป็นผู้กำหนดนโยบายและแผนงานมาดำเนินการต่อในรูปขอคณะอนุกรรมการเฉพาะกิจ

   ต่อมาเมื่อวันที่ 25 เมษายน พ.ศ. 2504 รัฐบาลประกาศใช้พระราชบัญญัติพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ พ.ศ. 2504 และพระราชบัญญัติจัดระเบียบราชการสำนักนายกรัฐมนตรี (ฉบับที่ 8) พ.ศ. 2504 ราชกิจจานุเบกษา เล่มที่ 78 ตอนที่ 36 เป็นการจัดตั้งสำนักงานพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ มีที่ตั้งที่ถนนศรีรับสุข บางเขน พระนคร นับจากนั้นเป็นต้นมา (ปัจจุบันคือเลขที่ 16 ถ.วิภาวดีรังสิต จตุจักร กทม. 10900) โดยบทบาทหลักของสำนักงานฯ มุ่งเน้นด้านการวิจัยค้นคว้า เพื่อนำพลังงานนิวเคลียร์มาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ เพื่อการพัฒนาประเทศ รวมทั้งควบคุมความปลอดภัยทั่วไปแก่ผู้ใช้ทั้งภายในและภายนอกสำนักงานฯ และอยู่ภายใต้สังกัดกระทรวงต่างๆ ตามลำดับดังนี้

พ.ศ. 2504 – 2506 สังกัดสำนักนายกรัฐมนตรี

พ.ศ. 2506 – 2515 สังกัดกระทรวงพัฒนาการแห่งชาติ

พ.ศ. 2515 – 2522 สังกัดกระทรวงอุตสาหกรรม

พ.ศ. 2522 – 2535 สังกัดกระทรวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยีและการพลังงาน

พ.ศ. 2535– 2545 สังกัดกระทรวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม

พ.ศ. 2546 – 2562 สังกัดกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

พ.ศ. 2562  – ปัจจุบัน สังกัดกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม

    และต่อมาได้มีการแยกภารกิจด้านการวิจัยและพัฒนาด้านเทคโนโลยีนิวเคลียร์และการใช้ประโยชน์จากพลังงานนิวเคลียร์ รวมทั้งการให้บริการทางเทคโนโลยีนิวเคลียร์และรังสีออกจากสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ ตามพระราชกฤษฎีกาจัดตั้งสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) พ.ศ. 2549 ประกาศในราชกิจจานุเบกษา เล่มที่ 123 ตอนที่ 39 ก วันที่ 20 เมษายน พ.ศ. 2549 มีผลบังคับใช้ตั้งแต่วันที่ 21 เมษายน พ.ศ. 2549 เป็นต้นไป รวมถึงมติคณะรัฐมนตรีวันที่ 21 พฤศจิกายน พ.ศ. 2549 เรื่องการโอนกิจการ ทรัพย์สิน สิทธิ หนี้สินและเงินงบประมาณเฉพาะส่วนที่เกี่ยวกับงานวิจัยด้านเทคโนโลยีนิวเคลียร์และการใช้ประโยชน์จากพลังงานนิวเคลียร์ที่มีอยู่ในวันที่พระราชกฤษฎีกาบังคับใช้ให้กับสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

    ด้วยวิทยาการด้านเทคโนโลยีนิวเคลียร์ได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้พระราชบัญญัติพลังงานปรมาณูเพื่อสันติ พ.ศ. 2504 และที่แก้ไขเพิ่มเติม พ.ศ. 2508 มีบทบัญญัติบางประการไม่เหมาะสมกับสถานการณ์ปัจจุบัน จึงจำเป็นที่ต้องมีการกำหนดกฎเกณฑ์เพื่อให้เกิดความปลอดภัยและความมั่นคงปลอดภัยทางนิวเคลียร์และรังสีและการพิทักษ์ความปลอดภัยทางนิวเคลียร์ เพื่อคุ้มครองประชาชนและสิ่งแวดล้อม และเพื่อให้สอดคล้องกับกฎเกณฑ์ในทางสากลที่เกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ จึงจำเป็นต้องตราพระราชบัญญัติพลังงานนิวเคลียร์เพื่อสันติ พ.ศ. 2559 ขึ้นมา และได้ประกาศในราชกิจจานุเบกษา เมื่อวันที่ 5 สิงหาคม 2559  และมีผลบังคับใช้ วันที่ 1 กุมภาพันธ์ 2560

    ต่อมาได้มีการปรับปรุงการแบ่งส่วนราชการสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เพื่อให้สอดคล้องกับภารกิจที่เพิ่มขึ้นตามกฎหมายว่าด้วยพลังงานนิวเคลียร์เพื่อสันติและเหมาะสมกับสภาพของงานที่เปลี่ยนแปลงไป อันจะส่งผลให้การปฏิบัติภารกิจตามหน้าที่และอำนาจมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลยิ่งขึ้น จึงได้มีกฎกระทรวงแบ่งส่วนราชการสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี พ.ศ. 2561 ซึ่งประกาศในราชกิจจานุเบกษา เมื่อวันที่ 24 มกราคม พ.ศ. 2561

     แต่เนื่องด้วยพระราชบัญญัติพลังงานนิวเคลียร์เพื่อสันติ พ.ศ. 2559 ได้กำหนดบทบัญญัติในการกำกับดูแลเครื่องกำเนิดรังสีที่เคร่งครัดซึ่งส่งผลให้ผู้มีส่วนเกี่ยวข้องได้รับผลกระทบ จึงได้มีการเสนอแก้ไขเพิ่มเติมพระราชบัญญัติพลังงานนิวเคลียร์เพื่อสันติ พ.ศ. 2559 ต่อสภานิติบัญญัติแห่งชาติ เพื่อเป็นการลดภาระแก่ผู้ที่ดำเนินการเกี่ยวกับเครื่องกำเนิดรังสี ตลอดจนแก้ไขอัตราโทษและดุลพินิจในการกำหนดโทษให้มีความเหมาะสม จึงตราพระราชบัญญัติพลังงานนิวเคลียร์เพื่อสันติ (ฉบับที่ 2 ) พ.ศ. 2562 ขึ้น และได้ประกาศในราชกิจจานุเบกษาเมื่อวันที่ 1 เมษายน 2562 และมีผลบังคับใช้เมื่อวันที่ 4 มิถุนายน 2562

    นอกจากนี้ ในปี พ.ศ. 2562 ถือเป็นปีสำคัญของไทยในเวทีระดับภูมิภาคและระดับนานาชาติ โดยการเป็นประธานอาเซียน และสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติรับหน้าที่เป็นประธานเครือข่ายหน่วยงานกำกับดูแลความปลอดภัยจากพลังงานปรมาณในภูมิภาคอาเซียน หรือ ASEANTOM (ASEAN Network of Regulatory Bodies on Atomic Energy) และเป็นเจ้าภาพจัดการประชุมและฝึกอบรมเพื่อเสริมศักยภาพ รวมทั้งความแข็งแกร่งต้านการกำกับดูแลความปลอดภัยทางนิวเคลียร์และรังสีร่วมกับหน่วยงานที่เกี่ยวช้อง ทั้งในภูมิภาคอาเซียน และหน่วยงานคู่เจรจา ตลอดปี พ.ศ. 2562 โดยเฉพาะกิจกรรมด้านความมั่นคงปลอดภัยของวัสดุกัมมันตรังสี (Security of Radioactive Materia) และการเตรียมความพร้อมและรับมือกรณีฉุกเฉินทางนิวเคลียร์และรังสี (Emergency Preparedness and Response)

        ปัจจุบันสำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ จึงเป็นหน่วยงานหลักในการเสนอแนะนโยบายแนวทาง และแผนยุทธศาสตร์ด้านพลังงานนิวเคลียร์ในทางสันติ และกำกับให้เกิดความปลอดภัยแก่ผู้ใช้ ประชาชน และสิ่งแวดล้อม โดยการบริหารจัดการด้านพลังงานนิวเคลียร์และรังสี กำกับดูแลความปลอดภัยทางนิวเคลียร์และรังสี เพื่อให้มีนโยบายและแผนยุทธศาสตร์ด้านพลังงานนิวเคลียร์ในทางสันติ ให้เป็นไปตามพันธกรณีหรือความตกลงระหว่างประเทศและมาตรฐานสากล