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.
Em setembro de 1925 o cientista Afrânio do Amaral, assistente e ex-diretor do Instituto Soroterápico do Butantan, então em comissão no Museu Paulista, foi convidado pela Universidade de Harvard, dos Estados Unidos, para organizar durante um ano naquele país um instituto para estudar toxinas, antitoxinas e animais venenosos. Em seus trabalhos, o instituto deverá realizar pesquisas não somente no seu centro, localizado em Boston, mas em países da América Central e Caribe, tendo uma seção especial no Panamá. Esse convite representa um reconhecimento dos méritos profissionais de Amaral e do andamento da ciência no 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.