中国科学院分子影像重点实验室成立于2012年，孵化于中国科学院自动化研究所智能医学研究中心。

中国科学院分子影像重点实验室采用智能信息技术理论和方法，在分子影像、功能影像、医学影像分析与处理、智能医学等相关领域的基础理论研究、关键技术研发、成果推广应用、专业人才培养等方面取得了系列化的显著成果。目前，由中国科学院自动化研究所田捷研究员担任实验室主任，中华医学会副会长、美国医学科学院外籍院士戴建平教授担任学术委员会主任，北京大学高家红教授和清华大学白净教授担任实验室学术委员会副主任。

中国科学院分子影像重点实验室承担了国家重大科研仪器设备研制专项“小动物光学多模融合分子影像成像设备”、作为首席科学家单位相继承担两个973计划项目、先后承担了国家863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金（杰出青年基金、重点项目、国际合作、仪器专项、面上项目、主任专项基金、青年基金）、北京市自然科学基金（重点项目、面上项目）、中科院知识创新工程重要方向项目、中科院科研装备研制项目等80余项科研任务。

中国科学院分子影像重点实验室相关成果获得2010、2012年度国家技术发明二等奖、2003、2004年度国家科技进步二等奖、2012年度何梁何利基金科学与技术进步奖；实验室成员共发表SCI检索的国际期刊论文120余篇；主流国际会议论文100余篇；授权美国发明专利1项、国家发明专利46项，新受理美国发明专利3项、国际PCT发明专利5项。

中国科学院分子影像重点实验室现有中科院院士1名、研究员8名、副研究员11名、高级工程师2名、助理研究员12名、在站博士后5名、访问学者3名、博士和硕士研究生40余名。依托中国科学院“外国专家特聘研究员计划”、“外籍青年科学家计划”和“发展中国家访问学者计划”，实验室引进外籍专家8名，包括Sanjiv Sam Gambhir教授（美国医学科学院院士）、Metin Akay教授、Mark S.Gold教授和Milan Sonka教授等。目前，实验室拥有IFAC、IEEE、SPIE、IAMBE、ISMRM等国际知名学术组织会士和高级会员7人，杰青2人，中国科学院百人计划2人，全国优秀科技工作者1人，中国科学院百篇优秀博士论文指导老师1人。

中国科学院分子影像重点实验室积极探索技术转移转化，研发的分子影像手术导航系统，通过了国家药监局医疗器械安全性及有效性检测认证，获得了药监局批准的三类医疗器械生产许可证，已在国内医院开展了临床应用，得到了肯定，并在安徽中科医药成像公司实现了技术转移和产业化。