2009年9月，北京市人大常委會在審議北京市政府推動高新技術在經濟社會發展中應用情況報告時，建議市政府研究建立由北京市和國家有關部門共同組成的首都科技創新協調機構。
為落實市委、市政府主要領導指示精神和市人大常委會審議意見， 北京市科委會同相關部門經過深入的調研、討論，積極探索建立首都科技創新協調機構，謀劃擬先期建設一個研究咨詢機構，提出了由北京市和中央單位聯合共建“首都科技發展戰略研究院”的籌建方案。
2010年9月，籌建工作正式啟動。2011年8月10日，首科院正式揭牌成立。
首科院由科學技術部、中國科學院、中國工程院和北京市人民政府發起，北京市科學技術委員會為秘書長單位，北京市科學技術委員會、北京師范大學和北京市科學技術研究院共同承建，首屆理事單位32家。
在市科委的組織協調下，首科院建立了工作機制、搭建組織架構，整合智力資源、開展重大研究，不斷完善服務和利用首都科技智力資源的體制機制。一些科技管理界人士評價說，這本身就是深化科技體制改革的產物。
定位“高端智囊”，創新體制機制
首科院的主要任務是，以事關首都經濟社會發展重大戰略問題為主線，圍繞統籌首都科技智力資源的體制機制、促進中國特色世界城市建設、“科技北京”發展建設、培育發展戰略性新興產業、領軍人才培養與使用等重大戰略問題開展研究咨詢。
圍繞“將北京建設成為全國創新發展的核心引領區和具有全球影響力的科技創新中心”的目標，首科院立足于搭建一個服務于首都科技發展的“智庫”，凝聚和建設高端化、國際化科技戰略研究人才隊伍，開展科技發展戰略研究，為進一步統籌首都科技資源，創新驅動發展，加快轉變首都經濟發展方式、提升首都自主創新能力提供戰略決策支撐。
首科院積極探索“政產學研用”各方代表構成的理事會制度，采取“小核心、大網絡”的組織方式，創新“開放、競爭、流動、協作”的運行機制，建立符合國際慣例、具有首都特色的“智庫”管理制度，不斷完善治理結構。并以首科院為載體，凝聚和建設高端化、國際化科技戰略研究人才隊伍，探索為頂尖領軍人才做好服務的體制機制，不斷完善相關政策，把首都建設成為世界人才高地。
“三個堅持、三個共同”
首科院積極創新體制機制，不斷完善服務和利用首都科技智力資源的體制機制的做法：
一是堅持需求引領、共同凝練課題。注重頂層設計，立足首都經濟發展、社會建設和民生改善的重大需求，對接梳理研究需求，開放式設立研究課題；研究課題主要分為科技創新戰略研究、創新驅動發展研究兩大系列，其中科技創新戰略研究系列聚焦首都自主創新戰略、科技體制改革等宏觀問題，創新驅動發展研究系列聚焦科技對經濟社會發展的支撐引領作用以及培育戰略性新興產業的政策措施和技術路徑等中觀、微觀問題。
二是堅持專家特長、共同組織研究。注重獨立研究，立足領銜專家特長選擇研究課題，并結合穩定支持、擇優委托和定向征集等多種組織實施手段，共同組建研究團隊，開展深入研究。
三是堅持政府導向、共同產生成果。注重研究質量，研究過程政府部門積極參與，互動交流，共同參與研究，共同產生成果，提高研究成果的針對性和有效性。
“小核心”撬動“大網絡”
在凝聚整合首都智力研究資源方面，首科院積極探索通過“小核心”撬動“大網絡”的聯盟式戰略研究的途徑，努力搭建成為與國家級研究咨詢機構交流合作的重要紐帶。