1985年3月，中國科學院西安黃土與第四紀地質研究室正式建立。第一任研究室主任由劉東生院士擔任，安芷生先生任副主任。實驗室工作人員由中國科學院貴陽地球化學研究所抽調8名科研人員，加上外單位科研和行政人員7人共15人組成。
1987年8月，中國科學院西安黃土與第四紀地質研究室被中國科學院正式批準為開放實驗室，實現了黃土與第四紀地質研究室自搬遷到西安后的第一步跨越。
1993年3月，受國家計委委托，中國科學院對該室進行了“國家重點實驗室建設計劃”的論證。中國科學院黃土與第四紀地質國家重點實驗室第一任主任是安芷生院士，學術委員會主任是丁國瑜院士。從中國科學院開放實驗室進入到國家重點實驗室，實現了第二步跨越。
1999年，中國科學院黃土與第四紀地質國家重點實驗室升格為地球環境研究所，并于1999年5月整體進入創新工程試點，研究所名譽所長是劉東生院士，所長由安芷生院士擔任。這是我所歷史上的第三次跨躍。
2002年8月-2006年7月，郭正堂研究員擔任所長。按照中國科學院知識創新工程三期的要求，研究所創新崗位增加到80個，在學的博士、碩士研究生人數達到87人，在此期間，在中國科學院、教育部和科技部的支持下，中國科學院地球環境研究所與西安交通大學合作共建了“西安加速器質譜中心”實驗室。
2006年8月-2016年12月，中國科學院黨組決定在中國科學院地球環境研究所試行輪值所長負責制，第一任執行所長為周衛健（女）研究員，副所長為劉禹研究員、劉曉東研究員、曹軍驥研究員。努力實現從“過去全球變化研究”到“過去與現代相結合的全球變化研究”的轉變；實現“從季風環境到季風－干旱環境”乃至“區域與全球變化研究相結合”的轉變；實現“從自然過程到自然與人類相互作用過程”的轉變，將科研布局整合為5個研究室：古環境研究室、現代環境研究室、加速器質譜中心、粉塵與環境研究室和生態環境研究室。
2017年1月至今，地球環境所秉承“如履薄冰、奮發圖強”的黃土精神，扎根西部、砥礪前行，提出了一系列原創理論，使中國黃土成為國際公認的全球變化三大支柱之一，不斷引領黃土與全球變化研究。目前，地球環境所有五個研究單元、七個管理部門、四個支撐系統，擁有黃土與第四紀地質國家重點實驗室、兩個國家野外科學觀測研究站和三個省部級重點實驗室，是科技部認定的國際科技合作基地和創新人才培養示范基地，是中國科協認定的首批全國科普教育基地。