Le CEA est créé le 18 octobre 1945 par Charles de Gaulle avec à sa tête Frédéric Joliot-Curie (haut-commissaire à l’énergie atomique) et Raoul Dautry (administrateur général). Cet organisme est destiné à poursuivre des recherches scientifiques et techniques en vue de l’utilisation de l’énergie nucléaire dans les domaines de la science, de l’industrie et de la défense nationale.
La pile Zoé, une pile atomique à eau lourde construite par l’équipe de Joliot-Curie au fort de Châtillon (Fontenay-aux-Roses), diverge en 1948.
Joliot-Curie, qui est membre du parti communiste français, lance l’appel de Stockholm contre la bombe atomique. En avril 1950, il est révoqué de son poste de haut-commissaire par Georges Bidault. Francis Perrin le remplace.
Après le départ de Joliot-Curie, le CEA, jusque là dominé par les scientifiques et la recherche fondamentale, se lance dans les applications militaires et civiles de l’énergie atomique. Même si le gouvernement n’a pas encore pris la décision de construire une bombe atomique, tout est mis en œuvre pour se doter des moyens de la construire.
En 1952, le centre d’études nucléaires de Saclay est ouvert sur un terrain de 271 hectares en plein plateau de Saclay.
À Marcoule, sont successivement construits les réacteurs G1 (1956), G2 (1959) et G3 (1960) de type Uranium Naturel-Graphite-Gaz (UNGG). Une usine pour extraire le plutonium du combustible usagé est également construite. Grâce à ces installations, la France peut réaliser son premier essai nucléaire dans le Sahara en 1960,« Gerboise bleue », seulement deux ans après que la décision officielle a été prise.
À Pierrelatte, une usine d’enrichissement de l'uranium à usage militaire est construite.
À Chinon, le CEA et EDF collaborent à la construction des réacteurs EDF 1 (1962, 68 MW), EDF 2 (1965, 200 MW) et EDF 3 (1967, 500 MW) de type UNGG.
La guerre des filières de réacteurs oppose le CEA et EDF : le premier est partisan de la filière française Uranium Naturel Graphite Gaz tandis que le second défend la filière des réacteurs à eau pressurisée (Pressurised Water Reactor) d’origine américaine. En décembre 1969, le gouvernement tranche en faveur d’EDF et décide la construction d’une centrale à eau pressurisée à Fessenheim.
En 1973, la première centrale prototype réacteur nucléaire à neutrons rapides et à caloporteur sodium Phénix est mise en service à Marcoule.
En 1976, le gouvernement français passe commande de Superphénix.
En 1985, la centrale nucléaire de Brennilis, prototype modéré par l'eau lourde, est arrêtée définitivement.
En 1997, le gouvernement français annonce que Superphénix sera abandonné.
En 2001, la filiale CEA Industries fusionne avec Framatome et la Cogema pour former un nouveau groupe dénommé Areva.
En 2007, le Genoscope et le Centre national de génotypage sont rattachés au CEA au sein d'un nouvel institut dénommé Institut de génomique.
Début 2009, Le CEA, Intel et le GENCI annoncent une coopération pour la construction des supercalculateurs de prochaine génération dont la puissance devrais atteindre l'exaflops (1000 petaflops).
En 2010, la loi de finance rectificative pour 2010 promulguée le 9 mars transforme le CEA en Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA).
