在1946年5月2日的一份報告《試驗性環球宇宙飛船初步設計》（Preliminary Design for an Experiental World-Cirg Spaceship）中，道格拉斯飛機製造公司（Douglas Aircraft Corporation）研究分析了衛星在科技和軍事用途的潛在價值，包括「觀測」用途。幾乎9年之後，1955年3月16日，美國空軍發布了「常規作戰需求第80號令」（General Operational Requirement No.80），正式確立先進偵察衛星的需求。在此之後的5年中，美國偵察衛星計畫經歷了多種多樣的發展演變。空軍的計畫最初被定名為先進偵察系統（Advanced Reaissance System），之後為「哨兵」（SENTRY），最後是「衛星反導彈觀測系統」（Satellite Anti-missile Observation System）。
考慮到可能需要花費大量的時間才能實現衛星反導彈觀測系統計畫的最初目標——開發可以通過電子手段傳回圖像——艾森豪威爾（Dwight D.Eisenhower）總統1958年2月批准將該計畫列為中央情報局的一個項目。這一項目被命名為「日冕」（A），其目標就是要研製開發可以通過膠捲筒傳回圖像的衛星。到1960年6月，衛星反導彈觀測系統繼續出現各類問題，迫使艾森豪威爾總統下令重新審查這一計畫。重新審查於1960年8月25日宣告結束，艾森豪威爾總統在一次會議上接受建議，簡化該項目的管理程序。新的管理程序確立空軍部長對項目總監垂直管理權力，取消了包括空軍參謀在內的諸多中間官僚環節。
1960年8月31日，空軍部長杜德利·夏普（Dudley C.Sharp）下令在自己的辦公室內部成立一個「導彈和衛星系統辦公室」（Offiissile and Satellite System），以幫助部長「免除其指揮、監督和控制衛星反導彈觀測系統項目的責任」。同一天，夏普還指示在加利福尼亞的「空軍彈道導彈聯隊」總部設立衛星反導彈觀測系統項目辦公室，作為空軍部長辦公室的現場分支。命令指示，「該辦公室主任負責並直接向空軍部長彙報」。
這些命令為空軍計畫確立了一套新的管理體系，但絲毫沒有影響中央情報局的「日冕」計畫管理體系。當然，這一系列的事件和人事變動促成了國家偵察機構的產生。其中包括兩名重量級的總統科學顧問，詹姆斯·基里安（James Killian）和埃德溫·蘭德（Edwin Land）。再看美國空軍和中央情報局在U-2、「牛車」和「日冕」的成功合作，正是這些項目推動兩個機構實現了長期、制度化的合作。
隨著約翰·肯尼迪入主白宮，空軍副部長約瑟夫·查理克（Joseph Charyk）應基里安和蘭德要求提交了一份報告，建議就衛星偵察成立國家統一的協調機構。7月中旬後，國防部長羅伯特·麥克納馬拉（Robert Mamara）要求查理克起草一份特別的文件，使其建議付諸實施。最初的原始建議，到最後文件形成過程中有一項關鍵性的改變，就是，這個協調機構的職責從衛星偵察擴展至禁區空中偵察，包括衛星偵察和選擇性的人力操作和非人力操作的空中飛行系統等一系列職責。
1961年9月6日，中央情報局代理局長查爾斯·卡貝爾（Charles Pearre Cabell）將軍和國防部副部長羅斯維爾·吉爾帕特里克（Roswell Gilpatric）共同簽署了一份合作協議，成立國家偵察局，作為中央情報局和空軍的聯合行動機構。1962年，美國海軍空中偵察力量——GRAB電子情報衛星，併入該辦公室。為保證最初「母體」的性質，未來30年國家偵察局架構的根本，包括一名局長（最終是一名副局長）、一個參謀部（由一名空軍准將負責，直接向局長彙報）和三個項目部：「項目A」（位於埃爾塞貢多空軍特殊項目辦公室）；「項目B」（中央情報局的U-2，「牛車」和衛星活動）；「項目C」（海軍，最初總部位於華盛頓州）。1963年初，空軍的第二個重要部分——「項目D」立項，最初是為了完成當時被命名為R-12的項目（隨後成為SR-71項目，是「牛車」的美國空軍版）。「項目D」承擔TAGBOARD/D-21無人駕駛偵察機項目和一個非偵察項目——R-12攔截機。「項目D」一直屬於國家偵察局的一部分，直到1969年SR-71項目移交給空軍戰略司令部；1970年或1971年「項目D」正式解散。
作為一個機構秘密存在了30年之後，1992年，國家偵察局存在的「事實」得以解密。中央情報局局長羅伯特·蓋茨面對參眾兩院情報監督委員的聯合公開聽證會，宣布了重組計畫。他聲稱，「美國情報界機構將進行意義深遠的內部重組，有責任設計、建立並實施我們的空中偵察能力。」
重組涉及三個主要業務處，替換以字母順序編號的項目辦公室——圖像情報處、信號情報處，以及通信系統採辦和行動處——每個處既負責情報獲取，又負責監督合同研究和開發機構以及定購和運作相關的航天器和地面站。
國家偵察局總部位於弗吉尼亞州尚蒂伊，是一座具有四個辦公區域的建築，靠近杜勒斯國際機場。服務於國家偵察局的政府工作人員，絕大部分來自空軍、中央情報局、國家安全局和海軍。1997年，國家偵察局2753名僱員中，1456人來自空軍（佔53%）、649人來自中央情報局（佔24%）、412人來自國家安全局（佔15%），214人來自海軍（佔8%），還有22人來自其他部門，如國防部情報局和陸軍（少於百分之一）。2006年3月，美國政府審計署（Gover Atability Office）估計，空軍人員佔據國家偵察局全部僱員的57%。隨著開發與工程辦公室解散，中央情報局委派在國家偵察局的人員被限定在科技處行動區域。今天，國家偵察局的政府工作人員全部大約2800人，雖然該局的合同承包人員達數千人，他們或者在國家偵察局總部工作，或者在承包商的公司里負責國家安分局的項目。國家偵察局2013年度預算需求是103億美元。
正如過去以項目ABC的架構運營了數十年，國家偵察局同樣是根據兩份授權准許文件運營了數十年：一份是1964年國防部令，一份是1965年中央情報局長和國防部長聯合簽署的協議。2009年，憑藉2010年度預算國會情報授權法案，國會批准授權國家情報總監和國防部長為國家偵察局制定一份新的章程，更新1965年雙方簽署的協議。
2010年9月21日，國家情報總監詹姆斯·克拉珀二世（James R.Clapper Jr.）與國防部長羅伯特·蓋茨簽署一份關於國家偵察局的合作備忘錄，明確詳細說明，國家偵察局負責「研究和開發、獲取、實施空中系統行動和相關數據的處理，以搜集情報」。合作協議還確切說明，國家偵察局長承擔三個明確的職責：管理和運作國家偵察局各項任務、擔任國防部長和國家情報總監的空中偵察首席顧問，以及共同分擔「領導和管理國家安全航天部門」的責任。這份協議還確定，國家偵察局長必須建立並主持「空中偵察顧問小組」（Overhead Reaissance Advisroup），擔任國家偵察局長的空中偵察首席顧問。
2011年6月發布的一份更為詳盡的國防部長令，被視為國家偵察局目前的行動章程。這份部長令重申協議中的任務使命，除其他主題外，還繼續探討組織機構管理、行動相關的責任與作用（包括為軍方、情報界、安全和反情報部門提供支持）、成立空中偵察顧問小組和情報獲取。該項命令中關鍵一條是對「空中偵察」的定義。這個術語傳統意義既包括太空，也包括在禁入區實施飛越領空的空中偵察行動，說明國家偵察局參與了太空和空中偵察系統（載人和無人駕駛）的開發制定與實施。然而，該項命令將空中偵察定義為「以太空為基地而實施的活動，其主要目的是開展，或能夠開展情報搜集活動」，暗示國家偵察局在開發空中偵察系統方面將不發揮作用。這一定義還明確，空中偵察包括「聯合研究與開發、獲取、測試和評估和由衛星實施或通過衛星實施的偵察系統行動以及通訊、數據處理，航天及其裝備的指令和控制」。不僅如此，命令明確規定，國家偵察局局長必須確定某一特殊通信焦點，以代表國家偵察局對國防部長直接領導的「特殊通信企業辦公室」（Special unicatioerprise Office）的特殊意義，反映國家偵察局數據過濾的重要作用——通過其衛星接收和傳遞感測器獲得的數據。
目前的組織架構，