2009年9月，北京市人大常委会在审议北京市政府推动高新技术在经济社会发展中应用情况报告时，建议市政府研究建立由北京市和国家有关部门共同组成的首都科技创新协调机构。
为落实市委、市政府主要领导指示精神和市人大常委会审议意见， 北京市科委会同相关部门经过深入的调研、讨论，积极探索建立首都科技创新协调机构，谋划拟先期建设一个研究咨询机构，提出了由北京市和中央单位联合共建“首都科技发展战略研究院”的筹建方案。
2010年9月，筹建工作正式启动。2011年8月10日，首科院正式揭牌成立。
首科院由科学技术部、中国科学院、中国工程院和北京市人民政府发起，北京市科学技术委员会为秘书长单位，北京市科学技术委员会、北京师范大学和北京市科学技术研究院共同承建，首届理事单位32家。
在市科委的组织协调下，首科院建立了工作机制、搭建组织架构，整合智力资源、开展重大研究，不断完善服务和利用首都科技智力资源的体制机制。一些科技管理界人士评价说，这本身就是深化科技体制改革的产物。
定位“高端智囊”，创新体制机制
首科院的主要任务是，以事关首都经济社会发展重大战略问题为主线，围绕统筹首都科技智力资源的体制机制、促进中国特色世界城市建设、“科技北京”发展建设、培育发展战略性新兴产业、领军人才培养与使用等重大战略问题开展研究咨询。
围绕“将北京建设成为全国创新发展的核心引领区和具有全球影响力的科技创新中心”的目标，首科院立足于搭建一个服务于首都科技发展的“智库”，凝聚和建设高端化、国际化科技战略研究人才队伍，开展科技发展战略研究，为进一步统筹首都科技资源，创新驱动发展，加快转变首都经济发展方式、提升首都自主创新能力提供战略决策支撑。
首科院积极探索“政产学研用”各方代表构成的理事会制度，采取“小核心、大网络”的组织方式，创新“开放、竞争、流动、协作”的运行机制，建立符合国际惯例、具有首都特色的“智库”管理制度，不断完善治理结构。并以首科院为载体，凝聚和建设高端化、国际化科技战略研究人才队伍，探索为顶尖领军人才做好服务的体制机制，不断完善相关政策，把首都建设成为世界人才高地。
“三个坚持、三个共同”
首科院积极创新体制机制，不断完善服务和利用首都科技智力资源的体制机制的做法：
一是坚持需求引领、共同凝练课题。注重顶层设计，立足首都经济发展、社会建设和民生改善的重大需求，对接梳理研究需求，开放式设立研究课题；研究课题主要分为科技创新战略研究、创新驱动发展研究两大系列，其中科技创新战略研究系列聚焦首都自主创新战略、科技体制改革等宏观问题，创新驱动发展研究系列聚焦科技对经济社会发展的支撑引领作用以及培育战略性新兴产业的政策措施和技术路径等中观、微观问题。
二是坚持专家特长、共同组织研究。注重独立研究，立足领衔专家特长选择研究课题，并结合稳定支持、择优委托和定向征集等多种组织实施手段，共同组建研究团队，开展深入研究。
三是坚持政府导向、共同产生成果。注重研究质量，研究过程政府部门积极参与，互动交流，共同参与研究，共同产生成果，提高研究成果的针对性和有效性。
“小核心”撬动“大网络”
在凝聚整合首都智力研究资源方面，首科院积极探索通过“小核心”撬动“大网络”的联盟式战略研究的途径，努力搭建成为与国家级研究咨询机构交流合作的重要纽带。