De Eerste Wereldoorlog toonde het belang van militaire luchtvaart aan. Nederland ging daarom over tot de verdere ontwikkeling van een eigen luchtmacht. Kennis over vliegtuigontwikkeling was er amper, daarom werd in 1919 een Rijksstudiedienst voor de Luchtvaart (RSL) opgericht. De RSL had tot taak het uitvoeren van technisch-wetenschappelijk onderzoek met betrekking tot vraagstukken op het gebied van luchtvaart, die niet door de vliegtuigbouwer of –gebruiker alleen konden worden opgelost wegens gebrek aan apparatuur en gespecialiseerde kennis en ervaring.

De RSL werd in 1920 als afzonderlijke dienst ingedeeld bij het Departement van Waterstaat. Vanaf dat moment werd RSL belast met het toezicht op de aanbouw en op reparaties van vliegtuigen en motoren, evenals het opstellen van technische voorschriften voor luchtvaardigheidsbewijzen van vliegtuigen, zweefvliegtuigen en motoren. Tevens werd de controle van sterkteberekeningen, van materialen, van vliegeigenschappen en van de luchtwaardigheid uitgevoerd. Ook voor uit het buitenland ingevoerde vliegtuigen onderzocht RSL of zij aan de gestelde voorschriften voldeden. Pas nadat van de RSL gunstig adviseerde werden luchtvaardigheidsbewijzen afgegeven door het Departement van Waterstaat/Bureau Luchtvaart, sinds 1930 de Luchtvaartdienst.

De RSL moest worden ontlast van het keuringswerk waardoor meer tijd beschikbaar zou komen voor het wetenschappelijk onderzoekswerk. Dat was voor het Rijk aanleiding de controle op luchtvaartmaterieel op te dragen aan de Luchtvaartdienst en de RSL om te zetten in een stichting. Op 14 juni 1937 werd daarom de stichting Nationaal Luchtvaartlaboratorium (NLL), die het beheer verkreeg over de uitrusting van de RSL. De NLL werd opgericht door de ministers van Waterstaat, van Defensie, van Koloniën, van Handel, Nijverheid en Scheepvaart, van Onderwijs, Kunsten en Wetenschappen en van Financiën tezamen met de Vereniging van Nederlandse Vliegtuigfabrieken, de N.V. Koninklijke Luchtvaartmaatschappij voor Nederland en Koloniën, door de N.V. Koninklijke Nederlands-Indische Luchtvaartmaatschappij en door de Koninklijke Nederlandse Vereniging van Luchtvaart.

De beslissing van de Regering in 1946 steun te verlenen bij de wederopbouw van de Nederlandse vliegtuigindustrie en de daarmee samenhangende oprichting van het Nederlands Instituut voor Vliegtuigontwikkeling (NIV), maakte dat het NLL werkzaamheden uit ging voeren die direct voor het op gang brengen van de industrie noodzakelijk waren.

Door uitbreiding van de onderzoeksfaciliteiten en door het ruimtegebrek in de vestiging Amsterdam werd in 1957 een tweede vestigingsplaats in gebruik genomen in de Noordoostpolder.

De lancering in 1957 van de eerste (Russische) kunstmaan luidde het tijdperk in van de ruimtevaarttechnologie, waar het laboratorium ook in werd betrokken en waardoor de naam in 1961 werd aangepast. Het NLL ging verder als Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR).

Voor de eerste Europese raketten was NLR verantwoordelijk voor het geleidingssysteem, aerodynamica en metingen in de windtunnel. Met ruimtevaart in het portfolio onderging NLR een enorme groei. De eerste grote Nederlandse bijdrage in de wereldwijde ruimtevaart werd de lancering van ANS, de eerste Nederlandse astronomische satelliet, in 1974.

In 1983 gaat ook IRAS, ‘s werelds eerste infrarood astronomische satelliet de ruimte in. Aan de ontwikkeling van beide satellieten droeg NLR bij.

De laatste 30 jaar van de 20e eeuw heeft NLR zich vooral gericht op het ondersteunen van Fokker bij het onderzoek en ontwikkeling en het testen van de Fokker 50, Fokker 100 en Fokker 70 vliegtuigen. Moderne onderzoeksfaciliteit kwamen beschikbaar, zoals een grote subsonische windtunnel en simulatoren voor het beproeven van vliegtuigen en vliegprocedures in specifieke situaties en voor luchtverkeersdoeleinden.

Met krachtige computers konden complex mathematische vraagstukken sneller worden opgelost. Een nieuw laboratoriumvliegtuig met straalaandrijving  werd aangeschaft, samen met de TU-Delft. NLR werd in die periode steeds meer een internationale speler in allerlei samenwerkingsverbanden. In een ander internationaal verband namen NLR en zijn Duitse zusterorganisatie DLR deel aan de organisatie Duits Nederlandse Windtunnels (DNW).