2011年，中国科学院启动筹建研究所，海南省人民政府、三亚市人民政府和中国科学院三方联合共建。

2013年，中国科学院深海科学与工程研究所“深海地质与地球化学研究室”、“深海极端环境模拟研究实验室”、“深海探测技术研究室”成立。

2014年10月，中国科学院深海科学与工程研究所“深海地球物理与资源研究室”成立。 12月，“深海信息技术研究室”成立。 同年，“海洋环流观测与数值模拟研究室”、“深海资源开发研究室”成立。

2015年6月，研究所正式获得中编办批复，定名为“中国科学院深海科学与工程研究所”。

2016年3月，中国科学院深海科学与工程研究所“深海视频技术研究室”成立。 11月，研究所与海南中学顺利签署合作共建协议暨 “海南中学综合实践基地” 授牌仪式。

2017年8月，中国科学院依托深海所，筹建中国科学院深海技术创新研究院。

2018年2月，中国科学院深海科学与工程研究所与深圳华大生命科学研究院签署战略合作协议。 7月，海南省“海智计划”中国科学院深海科学与工程研究所工作站正式揭牌成立。 11月，中国科学院深海科学与工程研究所与中国地质调查局广州海洋地质调查局在深海所签署战略合作协议。