Lietuvos žemdirbystės institutas buvo įkurtas 1956 m. Dotnuvoje, sujungus tuo metu įvairiuose šalies rajonuose veikusias bandymų stotis. Instituto ištakos siekia XX a. pradžią, kuomet buvo įkurtos pirmosios mokslinių tyrimų stotys. Žemdirbystės instituto tuometinė veikla – moksliniai tyrimai įvairiais žemdirbystės bei augalininkystės klausimais, praktinės rekomendacijos bei konsultacijos žemės ūkio specialistams.
Lietuvos nepriklausomybės atgavimo pradžioje Lietuvos žemdirbystės institutas tapo valstybiniu mokslo institutu. Keičiantis ūkininkavimo sistemoms tapo aktualu tobulinti žemėnaudos ir žemdirbystės sistemas. Institutas ėmėsi naujų agronominių mokslinių tyrimų, atitinkančių laikmetį bei nukreiptų konkurencingo žemės ūkio plėtrai.
Nuo 2010 m. Žemdirbystės institutas – Lietuvos agrarinių ir miškų mokslų centro sudėtinė dalis – kamieninis padalinys. Instituto veikla orientuota į žemės ūkio bei bioekonomikos plėtrą, tarpdisciplinius agronomijos bei jai giminingų krypčių mokslinius tyrimus, nacionalinių bei tarptautinių bendradarbiavimo ryšių vystymą.
Nuo 2021 m. sausio mėn. Žemdirbystės instituto padaliniais tapo: Vokės ir Vėžaičių filialai, Agrocheminių tyrimų laboratorija, Joniškėlio ir Rumokų bandymų stotys.
