国家实验室是以国家现代化建设和社会发展的重大需求为导向，开展基础研究、竞争前高技术研究和社会公益研究，积极承担国家重大科研任务的国家级科研机构。
根据国家重大战略需求，在新兴前沿交叉领域和具有我国特色和优势的领域，依托国家科研院所和研究型大学，建设若干队伍强、水平高、学科综合交叉的国家实验室。
国家重点实验室是国家组织开展基础研究和应用基础研究、聚集和培养优秀科技人才、开展高水平学术交流、具备先进科研装备的重要科技创新基地，是国家创新体系的重要组成部分。经过30多年的建设发展，已成为孕育重大原始创新、推动学科发展和解决国家战略重大科学技术问题的重要力量。
我国的国家重点实验室体系由学科国家重点实验室、企业国家重点实验室和省部共建国家重点实验室等三部分组成。
根据《关于加强国家重点实验室建设发展的若干意见》，2025年实验室经优化调整和新建，数量稳中有增，总量保持在700个左右。其中，学科国家重点实验室保持在300个左右，企业国家重点实验室保持在270个左右，省部共建国家重点实验室保持在70个左右。
沈阳材料科学国家（联合）实验室作为我国第一个研究类国家实验室试点单位，是以原“快速凝固非平衡合金国家重点实验室”、“材料疲劳与断裂国家重点实验室”和“中国科学院固体原子像开放实验室”为基础组建，2001年6月28日正式挂牌运行，并于2004年5月12日通过了由国家科技部组织的实验室建设验收。实验室主管部门为中国科学院，主任卢柯院士，理事长叶恒强院士。
实验室依托于中国科学院金属研究所，由国家科学技术部和中国科学院共同资助，主要从事材料科学研究和应用技术研究，研究领域涵盖材料制备与加工、材料结构分析与表征、材料设计与计算模拟、材料性能评价与使役行为等，同时开展材料发展战略和基础数据研究等。现设有非平衡金属材料、材料疲劳与断裂、固体原子像、高性能陶瓷材料、先进炭材料、磁性材料与磁学、环境功能材料、工程合金、材料加工模拟、催化材料和功能薄膜与界面11个研究部，1个公共技术服务部以及材料发展战略研究、材料基础数据和材料失效分析3个中心。
实验室在材料科学前沿研究方面，瞄准国际材料科学前沿重大科学难题，开展持续、系统研究。在纳米孪晶、梯度纳米材料、小角晶界纳米层片结构、金属材料表面纳米化等方面取得了一系列具有国际影响力的原创科研成果，开辟了新的研究方向，持续引领该学科方向发展。特别是基于一系列原始创新并面向装备制造业需求，自主研发了具有我国自主知识产权的金属材料表面纳米化技术。该技术通过对材料表层组织进行纳米化处理和优化，可以实现关键钢铁材料及器件性能和使役寿命的显著提高，经济及社会效益显著。目前该技术已在上海宝钢、沈阳鼓风机集团股份有限公司以及北车集团沈阳机车车辆有限公司等企业开展产业化及示范应用，仅在宝钢即实现500万元/年的经济效益。此外，实验室还在铁电材料畴壁结构、材料疲劳与断裂机制、碳材料控制与制备、磁性纳米胶囊制备与磁性等方向上取得了系列代表国家最高水平、有显著国际影响的原创性成果，确定了在国际上的学术地位。
合肥微尺度物质科学国家研究中心（合肥微尺度物质科学国家实验室）是科技部2003年11月批准筹建的五个国家实验室之一，主要依托单位是中国科学技术大学。实验室“建设计划任务书”于2004年11月通过了科技部组织的海内外专家的论证。实验室学科领域涉及物理、化学、材料、生物和信息，实现了五大一级学科之间大跨度的整合。
实验室现设有7个研究部和1个公共技术部，具体是原子分子科学研究部、纳米材料与化学研究部、低维物理与化学研究部、量子物理与量子信息研究部、生物大分子结构与功能研究部、Bio-X交叉科学研究部、理论与计算科学研究部、国际功能材料量子设计中心、USTC-KTH联合中心、集成影像中心及应用科学研究中心。凝聚了一支以具备多学科背景的杰出人才为学科带头人、以优秀青年人才为主体的研究队伍和一支高水平的技术支撑队伍。160余位研究人员中，包括11位院士，6位中组部千人计划，14名“长江学者”特聘教授，36位国家杰出青年基金获得者，56位百人计划入选者，7个国家自然科学基金委创新研究群体和6个教育部创新团队。
北京分子科学国家实验室（筹）是科技部2003年11月批准筹建的五个国家实验室之一，依托北京大学化学学院和中科院化学所。在稀土材料化学与应用、分子动态与稳态结构、高分子物理与化学（中科院化学所分室）、分子反应动力学（中科院化学所分室）4个国家重点实验室、9个部门重点实验室和2个国家大型科学仪器中心基础上整合组建。
实验室研究方向涵盖了化学科学或分子科学的大部分领域，研究方向主要包括：（1）物质结构与转化研究；（2）材料化学研究；（3）纳米科学与技术研究；（4）高分子科学与工程研究；（5）生命化学研究；（6）能源与环境研究。在建设初期设立九个研究部：（1）物质结构与分子动态学研究部；（2）合成与组装化学研究部；（3）无机与稀土化学研究部；（4）高分子科学与材料研究部；（5）纳米科学与技术研究部；（6）化学生物学研究部；（7）有机固体研究部；（8）分析与环境分子科学研究部；（9）能源与绿色化学研究部。
学科国家重点实验室在科学前沿探索和解决国家重大需求方面继续发挥着非常重要的作用，在科学研究方面取得了一批具有国际先进水平的成果，在人才队伍建设方面涌现出一批具有国际影响力的团队，成为孕育我国科技将帅的摇篮。实验室继续坚持“开放、流动、联合、竞争”的运行机制，开展了多种形式的国际学术交流与合作，国际影响力显著提升。
截至2016年底正在运行的学科国家重点实验室共254个，材料科学领域21个，占总数的8.3%。
材料领域学科国家重点实验室名单
企业国家重点实验室面向社会和行业未来发展的需求，开展应用基础研究和竞争前共性技术研究，制定国际标准、国家标准和行业标准，聚集和培养优秀人才，引领和带动行业技术进步，是国家科技创新基地和国家技术创新体系的重要组成部分。
截至2016年底正在运行的企业国家重点实验室共177个，材料科学领域43个，占总数的24.3%。