Ідея створення в Одесі повноцінної морської науково-дослідної установи виникла у зв’язку з підвищеним інтересом до вивчення Чорного моря та його ресурсів. Особливо перспективним в цьому відношенні був район основного чорноморського шельфу, розташований в північно-західній частині моря.
На той час в Інституті гідробіології АН України, разом з внутрішніми водоймами, вже вивчалися дельти річок, лимани, проте зовсім не охоплювалися дослідженнями авандельти і високопродуктивні зони українського шельфу, що перебуває під впливом річкового стоку. Ці динамічні і найбільш цінні, зокрема, в рибопромисловому відношенні, води вимагали регулярної уваги вчених. Гостроту і актуальність цієї проблеми добре розумів директор Інституту гідробіології, член-кореспондент Академії наук України Яків Володимирович Ролл. Тому на початку 50-х років минулого століття він почав пошук вченого, здатного організувати широкомасштабне комплексне вивчення північно-західної частини Чорного моря. Його вибір припав на відомого морського біолога – професора Костянтина Олександровича Виноградова.
У 1953 р. К.О. Виноградов прибув в Одесу і сформулював обґрунтування майбутньої наукової установи.
У 1954 р. було прийнято спеціальну Постанову Президії Академії наук України про створення Одеської біологічної станції Інституту гідробіології АН УРСР. Це була перша академічна наукова установа в Одесі. До її завдання входило комплексне вивчення динаміки гідробіологічного режиму північно-західної частини Чорного моря в умовах, що склалися в результаті зарегулювання природного стоку річок Дніпра і Дністра з урахуванням впливу вод однієї з найбільших річок Європи – Дунаю.
Наприкінці 1956 р. на новій станції працювало 5 наукових співробітників, у тому числі один доктор наук – професор, три кандидати наук, а також два аспіранти. Морські експедиції проводилися на науково-дослідному судні Інституту гідробіології АН УРСР «Академік Зернов».
З 1959 р. станція почала випускати українською мовою свої праці в серії «Наукові записки Одеської біологічної станції», яких до 1962 р. було видано п’ять випусків.
У 1961 р. станція набуває власного морського науково-дослідного судна водотонажністю 300 т «Миклухо-Маклай», яке пропрацювало майже 30 років (до 1988 р.). На цьому судні виконувалися експедиційні дослідження не лише північно-західного шельфу, але і усього Чорного, а також Азовського і Каспійського морів. В результаті виконаних робіт був отриманий цінний порівняльний матеріал, що характеризує Понто-Каспій як релікт колись єдиної морської водойми із загальними за своїм походженням елементами флори і фауни.
У 1964 р. Постановою Президії АН УРСР три українські морські біологічні станції, що працювали на той час на Чорному морі (Севастопольська, Одеська і Карадазька) були організаційно об’єднані в Інститут біології південних морів ім. О.О. Ковалевського АН УРСР (ІнБПМ). Трансформувавшись в Одеське відділення ІнБПМ, Одеська біологічна станція не змінила свого профілю, продовжуючи розвивати і поглиблювати дослідження північно-західного шельфу Чорного моря, включаючи його лимани, лагуни і дельти річок.
Саме у цих водах Чорного моря через декілька років почали проявлятися негативні наслідки нераціональної господарської діяльності людини, що різко змінила якість його вод і донних ґрунтів, видовий склад і кількісні характеристики пелагічних і бентосних угруповань, істотно підірвала промислові ресурси усього моря. Вчені Одеського відділення ІнБПМ першими звернули увагу на нові негативні явища в житті моря і розпочали їх всебічне вивчення. В результаті Одеським відділенням ІнБПМ (з 1989 р. – Одеським філіалом ІнБПМ) поступово були накопичені комплексні систематизовані дані стосовно антропогенних змін екосистеми Чорного моря і його приморських водойм. Вказана спеціалізована база даних, зокрема, дозволила колективу Філіалу розробити нові підходи до прогнозування змін в пелагічних і донних угрупованнях моря та намітити шляхи до поліпшення якості морського середовища в його прибережній зоні методами біологічної меліорації.
До липня 2014 року Філіал входив до структури Інституту біології південних морів ім. О.О.Ковалевського НАН України (ІнБПМ), а також Океанологічного центру НАН України. Постановою Президії НАН України від 2 липня 2014 року № 161 ІнБПМ отримав статус Державна установа «Інститут морської біології НАН України».
Будівля станціі
Науково-дослідне судно “Академік Зернов”
Науково-дослідне судно “Миклухо-Маклай”
Керівники Інституту за весь період існування наукової установи
Виноградов Костянтин Олександрович – доктор біологічних наук, професор, з 1953 р. по 1964 р. – керівник Одеської біологічної станції при Інституті гідробіології АН УРСР. З 1964 р. по 1972 р. – керівник Одеського відділення Інституту біології південних морів АН УРСР.
Зайцев Ювеналій Петрович – академік НАН України, доктор біологічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України, з 1972 р. по 1989 р. – керівник Одеського відділення Інституту біології південних морів АН УРСР. З 1989 – головний науковий співробітник Одеського філіалу Інституту біології південних морів НАН України.
Бронфман Олександр Михайлович – доктор географічних наук, професор, Лауреат Державної премії СРСР у галузі науки і техніки, з 1989 р. по 1994 р. – керівник Одеського філіалу Інституту біології південних морів НАН України.
Александров Борис Георгійович – член-кореспондент НАН України, доктор біологічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України, з 1994 р. до 2014 р. – керівник Одеського філіалу Інституту біології південних морів НАН України, 2014–2019 р. – директор Інституту морської біології НАН України.
Мінічева Галина Григорівна – член-кореспондент НАН України, доктор біологічних наук, Лауреат Державної премії в галузі науки і техніки України. З 27.12.2019 – в.о. директора ДУ «ІМБ НАН України», 17 вересня 2020 року обрана на посаду директора Установи.