本实验室于2008年1月经教育部批准成立，依托清华大学建设，是国家级重点实验室（前身为1989年世界银行贷款资助建设的国家专业实验室，1996年建成）。实验室主任为康克军教授（清华大学副校长、长江计划特聘教授、2005年全国先进工作者，曾任同方威视总经理和董事长）。
实验室现有固定编制人员近60人，其中教授近20人，形成了以中青年教授为主要学术带头人的科研团队。在读研究生160余名（博士90余人、硕士70余人），博士后和访问学者十多名。学术委员会由15位国内粒子技术与辐射成像行业著名学者和资深专家组成。
实验室依托核技术及应用、粒子物理与核物理两个国家重点学科，由清华大学工物系和物理系共同承担建设，是教育部系统唯一的粒子技术与辐射成像研究基地。

本实验室面向科学研究与社会应用需求，在粒子物理、核物理、信息处理及精密机械等交叉领域提供以下技术服务：
1.辐射成像无损检测服务：提供工业核测控、生产过程无损检测、安全检验检疫等技术解决方案（依托同方威视产业化经验）
2.核医学影像技术服务：开展核医学影像技术研发，提供医学影像设备技术支持、影像算法优化及临床应用解决方案
3.粒子探测器研制服务：提供粒子探测器设计、研制及测试服务，应用于粒子物理实验、天体高能辐射空间观测等领域
4.辐射安全与环保监测服务：提供环境保护监测、辐射安全检测、社会安全防控等领域的技术咨询与设备研发服务
5.新能源与材料分析服务：利用辐射成像技术，提供新能源材料分析、新材料结构检测等技术服务
6.产学研合作与人才培养：依托160余名研究生培养规模，提供专业技术人才培养；开展产、学、研基地建设合作，推动科研成果转化应用