도레이첨단소재 연구개발의 역사는 제일합섬 시절인 1979년 4월 11명의 인원으로 처음 시작됐다. 1979년 4월 기술연구소를 설립하고 1982년 5월 과학기술처로부터 연구소 설립인가를 받았다. 이후, 1987년 4월에 기흥 삼성종합기술원단지에 입주했고, 연구 4실 1팀의 체제를 갖추었다.
삼성그룹에서 분리되어 1999년 도레이새한 설립 후에는 2000년 11월 구미1공장(현재 구미 3공장)에 약 20명의 인원으로 기술연구소를 설립했다.
이후 국내외 기술연구소를 벤치마킹해 독립된 기술연구소를 새로 건립하기 위한 기초 작업에 들어가는 한편 고객과의 밀착연구, 대학과의 협업연구를 위한 첨단재료연구센터를 2004년 신설, 연구개발 체계를 다각화했다. 그리고 2009년 5월 약 80억 원을 투입, 구미 3공장(현재 구미 4공장)내 연구소를 지어 2010년 4월 준공식을 거행했다. 이 날 준공식은 일본 도레이 사카키바라 사다유키 사장을 비롯한 주요 내·외빈 200여 명이 참석한 가운데 성대하게 치러졌다. 사카키바라 사장은 글로벌 기업을 지향하는 도레이첨단소재가 신성장 산업을 선도할 구미 3공장과 연구소를 설립하게 돼 뜻 깊게 생각한다며 이번 준공을 계기로 보다 큰 성장을 주도해 나가길 바란다고 밝혔다.