A história do Instituto Butantan confunde-se com a história da modernização do Estado de São Paulo. Seu surgimento deveu-se a uma epidemia de peste bubônica no Porto de Santos. Temendo que a doença atingisse a capital do Estado, o governo convocou o Instituto Bacteriológico para tentar resolver o problema.
A fazenda Butantan foi desapropriada pelo Presidente de São Paulo Coronel Fernando Prestes de Albuquerque que iniciou as obras do Instituto. Seu diretor, Adolfo Lutz, mandou para essa cidade o assistente Vital Brazil. Em pouco tempo ele diagnosticou a doença e, em conjunto com o médico Oswaldo Cruz, criou um plano para controlá-la. De volta à capital, Vital Brazil foi encarregado de um serviço contra a peste no Instituto Bacteriológico. No ano seguinte esse serviço transformou-se em instituição autônoma, então denominada "Instituto Serumtherapico do Estado de São Paulo", que, posteriormente, transformou-se no atual Instituto Butantan, que ajudou a debelar a peste. Ao longo dos anos, Vital Brazil investiu na ampliação das atividades do instituto, passando a desenvolver paralelamente pesquisas referentes a soros e vacinas. Não demorou muito para que seu método inovador chamasse atenção da comunidade internacional, e já na primeira década do século XX a instituição tinha sua importância reconhecida fora do Brasil.
Em 1914, veio o grande passo rumo ao progresso do instituto, foi inaugurado o Prédio Central, futuramente batizado de "Edifício Vital Brazil". Nesse edifício foi possível alocar setores de pesquisa e produção, possibilitando o instituto uma expansão de contribuições para a saúde pública e também um aprimoramento maior em suas atividades.
Vital Brazil, a par de toda essa problemática, concomitantemente aos estudos sobre a peste, iniciou as suas pesquisas sobre o ofidismo, tema então pouquíssimo conhecido. O extenso trabalho que desenvolveu pesquisando esse assunto fez com que o Butantan rapidamente se especializasse no conhecimento herpetológico, bem como na produção de soros antiofídicos, tornando-se uma entidade ímpar em todo o mundo. Vital Brasil, inclusive, tem a primazia na demonstração da especificidade dos soros antiofídicos. Um soro específico para uma serpente venenosa europeia, por exemplo uma víbora (Vipera), é ineficiente para uma jararaca (Bothrops) sul-americana. Em viagens que fez, principalmente para os Estados Unidos, demonstrando a eficácia do soro antiofídico, a fama de Vital Brazil correu mundo.
Durante vários anos, entretanto, o Instituto Butantan funcionou em toscas dependências, contando com um corpo de funcionários bastante exíguo. Mesmo assim, de seus laboratórios brotaram importantes pesquisas no campo da herpetologia, microbiologia e imunologia, reconhecidas internacionalmente. A partir de 1914, com a construção da nova sede e a paulatina ampliação de seu orçamento, o Butantan começou a se consolidar como a mais importante instituição de pesquisa biomédica do Estado de São Paulo, e uma das maiores do Brasil.
Além das atividades diretamente relacionadas a saúde pública, o Instituto Butantan é também um importante ponto turístico, contando com um parque e quatro museus (o Museu Biológico do Instituto Butantan, o Museu Histórico, o Museu de Microbiologia e o Museu de Saúde Pública Emílio Ribas). O parque no qual o instituto está localizado possui uma área total de 750 mil m², 70 % da qual composta de fragmentos de vegetação. A entrada na área do instituto, incluindo o acesso aos parques e ao serpentário, é gratuita, mas o acesso aos museus se dá mediante aquisição de ingressos a preços populares.
A partir do final de 2009, o instituto passou a auxiliar no combate à gripe H1N1, sendo o órgão público responsável pela produção da vacina a partir de amostras fornecidas pelo laboratório francês Sanofi Pasteur.Atualmente, o Instituto Butantan, em parceria com a farmacêutica Sinovac Life Science, do grupo Sinovac Biotech, realiza a produção da CoronaVac, vacina contra o novo coronavírus (Covid-19) que foi aprovada pela Anvisa para uso emergencial.