自上世纪六十年代初开始，中国科学院南海海洋研究所就陆续开始对三亚湾的珊瑚礁、红树林生态系统的生物多样性与生物资源，三亚湾的水环境特征，沉积物特性等进行了一系列的调查，同时开展了对珊瑚礁的形成演化及其保护、恢复和管理模式的研究，承担了一系列国家或地方委托的项目，积累了大量数据、资料及研究成果，发表论文200多篇、专著6部，申请发明专利2项，获中国家和省、部级科技成果奖10多项。为最终建立海南热带海洋生物实验站奠定了基础。1979年经中国科学院批准在三亚设立“中国科学院海南热带海洋生物实验站”。为此，1980年广东省委组织部专门下文将三亚站定编为正处级单位。

    由于南海海洋所提供了大量第一手研究资料和有关珊瑚礁保护、管理的建议报告，给国家和地方制定珊瑚礁保护及合理利用法规与政策提供了重要的参考依据和指导，促使三亚珊瑚礁自然保护区（国家级）、广东徐闻珊瑚礁自然保护区（省级，正在申报国家级）等的建立，并有效地促进了珊瑚礁保护与管理措施的实施，为保护海岸安全，维护人与环境和谐及社会经济的可持续发展做出了重要贡献。

    第一任站长为著名珍珠研究专家为谢玉坎研究员。第二任站长为张偲院士（现任中科院南海海洋研究所所长）。建站之初生活设施十分简陋，没有水电供应，交通极为不便，往来广州无论是乘船还乘汽车都要两天多时间，研究人员和员工在谢玉坎站长的带领下，克服了重重困难，开始了长达近二十年的海水珍珠人工养殖研究，为我国海水珍珠产业的形成和发展做出了重大贡献。从上世纪九十年中期开始，以吴伯堂研究员为首的课题组，开展了海水螺旋藻养殖的开创性研究工作，为形成了我国海水螺旋藻产业的形成和发展奠定了基础。九十年代未张偲站长牵头开展了从海洋生物中提取活性物质的研究，经过近十年的努力，取得了令人瞩目的成果。近年来共发表论文160篇，其中核心刊物论文149篇（SCI收录74篇）；完成专著1册。申报了33项国家发明专利，获得授权发明专利20项。承担海南省政府的“热带海洋生物活性化合物的研究与开发”项目，为海南省开发出了国家准号药“海珠口服液”等，获得经济效益10多亿元，获海南省科技进步特等奖1项。

    三亚站1999年被列为国家重点野外科学观测研究站（试点站），2002年加入了中国科学院生态系统研究网络（CERN），2006成为国家重点野外科学观测研究站。站内还设有“海南省热带海洋生物技术重点实验室”及与香港科技大学共建的“三亚海洋科学综合（联合）实验室”。