旱区节水农业研究院的历史可追溯至1979年西北农业大学创建的干旱半干旱农业研究中心。1980年，该中心经原农牧渔业部批准，成为我国首个旱区农业研究机构，标志着旱区农业科研体系化的开端。依托联合国开发计划署、世界银行等国际合作项目的支持，1996年至2000年间，学校先后获批成立农业水土工程农业部重点开放实验室（1996年批建，2002年更名为旱区农业节水重点开放实验室）、国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心（1999年批建）、旱区农业水土工程教育部重点实验室（2000年批建）等核心科研基地，奠定了学科优势基础。
2010年，西北农林科技大学整合全校资源，组建跨学科、跨学院的综合性研究机构——中国旱区节水农业研究院暨中国干旱半干旱地区农业发展战略研究中心，并统筹管理7个国家及省部级科研平台。2012年研究院相继获批旱区作物高效用水国家工程实验室、农业农村部农业高效用水重点实验室等国家级平台，经过15年的发展，逐步构建起涵盖基础研究、技术研发与产业应用的全链条创新平台。
2024年，为深化科研体系改革，学校将研究院与旱区作物高效用水国家工程实验室整合升级为独立二级机构（正处级建制），实行“一个机构、两块牌子”管理模式，定名为旱区节水农业研究院（旱区作物高效用水国家工程实验室）（简称“旱研院”）。此次调整进一步强化了学科交叉融合与资源统筹能力，为服务国家战略需求注入新动能。