Der Landesbetrieb wurde mit Wirkung zum 1. Januar 2005 gegründet. Er ging aus dem Staatlichen Untersuchungsamt Hessen (SUAH), der Landwirtschaftlichen Untersuchungs- und Forschungsanstalt (LUFA), dem Umweltlabor und dem Ausbildungszentrum für Chemieberufe des Hessischen Landesamtes für Naturschutz, Umwelt und Geologie hervor. Zudem wurde die Tierärztliche Grenzkontrollstelle Hessen (TGSH), die am Flughafen in Frankfurt am Main ihren Sitz hat, beim Landesbetrieb Hessisches Landeslabor angesiedelt.
Durch die Zusammenfassung der Laborbetriebe im Landesbetrieb Hessisches Landeslabor wurden gleichartige beziehungsweise ähnliche Aufgaben unterschiedlicher Laborbereiche Hessens gebündelt und Fachwissen zusammengeführt. Von 2005 bis 2018 war der Diplom-Chemiker Prof. Dr. Hubertus Brunn Direktor des Landeslabors.