Het georganiseerde onderzoek van het dierenleven in zee begon in 1872 met de oprichting van de Nederlandsche Dierkundige Vereeniging. Zij was ook de eigenaar van het demontabele gebouwtje dat al snel 'de Keet' werd genoemd en tot 1890 in gebruik zou blijven. Meestal waren er niet meer dan vijf personen aan het werk. De eerste directeuren verrichtten hun werkzaamheden onbezoldigd. In 1877 werd het gebouwtje in Vlissingen opgetrokken. Van hieruit werd per schoener een 'kruistocht' ondernomen tot de Engelse kust en Helgoland. De vijf opvarenden verzamelden zeeorganismen met een schrobnet. Vanaf 1931 wordt de rijkssubsidie voor het Zoölogisch Station aanzienlijk uitgebreid en de band met de biologische faculteiten van de universiteiten versterkt. Zo kwam de eerste cursus voor studenten van de grond. Door de economische crisis is er echter geen geld voor extra personeel. Na de Tweede Wereldoorlog breidt het personeelsbestand pas uit als de eerste onderzoekers een tijdelijke aanstelling krijgen via ZWO, de voorloper van NWO. Wanneer directeur Verweij in 1957 een omvangrijk, maar meteen goedgekeurd plan indient voor uitbreiding van de biologische vragen met chemie, fysica en geologie, groeit het aantal medewerkers tot 150. Enkele jaren later blijken de rust, ruimte en mogelijkheden voor zeewaterinname in Den Helder niet meer te voldoen. In 1960 wordt het Zoölogisch Station omgedoopt tot Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee en verschijnt een jaar later ook het eerste nummer van Netherlands Journal for Sea Research. Het duurt tot 1969 voordat het NIOZ verhuist naar het 'provisorium' in de Texelse polder 't Horntje, aan de overzijde van het Marsdiep. Pas in 1977 wordt daar een nieuw hoofdgebouw geopend. Vanaf 1990 valt het NIOZ onder NWO en wordt de formele band met de Nederlandsche Dierkundige Vereeniging beëindigd. Per 1 Januari 2012 is het NIOZ gefuseerd met het voormalig NIOO-CEME (Centrum voor Estuariene en Mariene Ecologie) en bestaat het NIOZ uit twee vestigingen; NIOZ-TX op het waddeneiland Texel en NIOZ-YE in Yerseke. Het huidige NIOZ telt ca 370 medewerkers. Het jaarlijks budget is circa dertig miljoen euro.
Het boek van de hand van Johan van Bennekom, Geschiedenis van het Zoölogisch Station en het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee, Den Helder, 2001 beschrijft de geschiedenis tot 1990.