Instytut Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk istnieje od 1964 r., kiedy to powołany 10 lat wcześniej Zakład Syntezy Organicznej PAN został podniesiony do rangi instytutu.
Instytut Chemii Organicznej PAN został utworzony 18 listopada 1964 roku na podstawie dekretu Rady Ministrów nr 352/64, podnoszącego Zakład Syntezy Organicznej Polskiej Akademii Nauk do rangi Instytutu Naukowego. Działalność naukowa placówki rozpoczęła się jednak już w roku 1954 z chwilą utworzenia Zakładu Syntezy Organicznej Polskiej Akademii Nauk. Pierwszym dyrektorem Zakładu był profesor Osman Achmatowicz. Jego funkcję przejął w roku 1957 profesor Tadeusz Urbański.
Zakład Syntezy Organicznej Polskiej Akademii Nauk liczył początkowo 13 laboratoriów, które w związku z odbudową zniszczonego wojną kraju zostały ulokowane w budynkach wydziałów chemii uczelni wyższych. Pięć spośród tych laboratoriów – kierowanych przez profesorów: Osmana Achmatowicza, Wiktora Lampego, Wandę Polaczkową, Stanisława Malinowskiego i Tadeusza Urbańskiego – miało swoje siedziby w Warszawie. Dwa laboratoria mieściły się w Łodzi: jedno kierowane przez profesora Bolesława Bochwica, a następnie profesora Jana Michalskiego, i drugie, kierowane przez profesor Eligię Turską. We Wrocławiu znajdowały się dwa laboratoria, kierowane przez profesorów Tadeusza Rabka i Zdzisława Tomasika. Pozostałe laboratoria miały swoje siedziby w Poznaniu, Krakowie, Gliwicach oraz Gdańsku, i były kierowane odpowiednio, przez profesorów Jerzego Suszko, Jana Moszewa, Włodzimierza Kisielowa i Zygmunta Ledóchowskiego.
W 1965 r. laboratoria warszawskie Instytutu Chemii Organicznej PAN, zostały przeniesione na ulicę Kasprzaka 44/52 i ulokowane tam tymczasowo w nowych pawilonach wybudowanych dla bliźniaczego Instytutu Chemii Fizycznej PAN. W tym samym roku została utworzona struktura administracyjna Instytutu, złożona z zakładów i laboratoriów. Ponieważ Instytut Chemii Organicznej współdzielił teren przy ul. Kasprzaka z Instytutem Chemii Fizycznej PAN, zdecydowano o częściowo wspólnej administracji i służbach technicznych. Obecnie Instytuty są całkowicie niezależne i wspólnie użytkują jedynie aulę i bibliotekę.
W strukturze organizacyjnej Instytutu Chemii Organicznej PAN, od dnia jego powołania do końca 1970 roku, działał Ośrodek Wytwórczości i Usług, na bazie którego w 1971 roku, decyzją władz Akademii utworzono „Chemipan” – Zakład Doświadczalny Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Instytutu Chemii Organicznej PAN. Zakład był wyodrębnioną jednostką organizacyjną na pełnym rozrachunku gospodarczym przez 12 lat. Przedmiotem działalności
Zakładu było i jest wprowadzanie osiągnięć nauki do gospodarki, przede wszystkim w oparciu o opracowania naukowe IChF i IChO. W roku 1983, decyzją Sekretarza Naukowego PAN „Chemipan” został włączony do struktury IChF PAN, jednakże na mocy powyższej decyzji struktura Zakładu, powoływanie kierownictwa oraz roczne programy produkcji są zatwierdzane w uzgodnieniu z dyrekcją IChO PAN.
Pierwszym Dyrektorem Instytutu został profesor Tadeusz Urbański. Jego następcami byli: profesor Marian Kocór (od kwietnia 1967 do lipca 1972), profesor Paweł Nantka-Namirski (od lipca 1972 do lipca 1979) i profesor Mieczysław Mąkosza (od lipca 1979 do lipca 2004). Od lipca 2004 do grudnia 2010 roku Dyrektorem IChO PAN był profesor Marek Chmielewski, a od 1 września 2011 roku – profesor Sławomir Jarosz. Obecnie funkcję tę pełni od 1 września 2019 roku profesor Daniel T. Gryko.
Zamiejscowe zakłady Instytutu zlokalizowane w Gliwicach, Łodzi, Poznaniu i Wrocławiu odłączały się odpowiednio w latach: 1966, 1972, 1980 i 1986, a następnie dały początek nowym placówkom PAN. I tak, zakład łódzki przekształcił się w Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych, poznański w Instytut Chemii Bioorganicznej, gliwicki w Zakład Karbochemii, a wrocławski został przyłączony do Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych.
Obecnie w Instytucie pracuje 17 grup badawczych