新中国体育事业伴随着共和国的组织和机构建设拉开了序幕。1949年10月，中华全国体育总会成立，1952年11月，中央人民政府体育运动委员会成立，时任国务院副总理的贺龙元帅兼任体育运动委员会主任。在贺龙同志的直接领导下，新中国开始了全面建设社会主义人民体育的新体系。体育科教事业是体育事业重要的支持和保障力量，贺龙同志上任伊始，就把建立体育学院、培养体育人才当成一件大事来抓，他多次强调：“办好体育学院是发展体育事业不可缺少的一环”。在他的亲切关怀和支持下，中央体育学院于1953年下半年正式成立（1956年3月更名为北京体育学院）。同年，体委决定聘请苏联专家来体育学院培养研究生，同时选派留学生赴苏学习。1954年2月，中央体育学院成立了研究部，负责研究生的培养并开展科研工作。1954年，贺龙同志亲自从志愿军十九兵团政治部调赵斌同志到中央体育学院任副院长兼研究部主任。
1956年1月，党中央在北京召开了全国知识分子问题会议，向全国发出“向科学进军”的伟大号召。会后，中央决定成立国家科学规划委员会，并在周恩来总理的直接组织领导下，制订了我国第一个中长期科学技术发展规划（《1956至1967年全国科学技术发展远景规划》），其中第53项第9题：《青少年全面身体训练的生理基础》（即“5309课题”），这是由苏联运动生理学专家柏琴柯提出，经国家体委上报的。同年2月1日至7日，北京体育学院举行了第一次体育科学讨论会，这是新中国成立后举行的第一次体育科学讨论会。参加会议的有全国各体育院校、师范学院体育系科的代表共300余人，会议讨论了体育理论、生理卫生、田径等方面的论文。
1957年12月2日，国家体委采纳了在第二个五年计划期间建立一所体育科学研究所的建议。1958年4月，国务院科学规划委员会批准同意。同年5月15日，国家体委党组召开会议，副主任蔡树藩、荣高棠、黄中等同志在会议上集中谈了对关于建立科研所的意见。由北京体育学院抽调部分骨干进行筹备，确定由北京体育学院副院长兼研究部主任赵斌兼任科研所所长，并决定组团去苏联考察。在北京体育学院的积极配合下，学院将家属区红四楼的南跨楼职工宿舍作为工作用房，并抽调了任慰农（时任北京体育学院卫生教研室主任），王品三（时任北京体育学院基建办公室主任），王汝英（时任北京体育学院体育理论教研室副主任）3人协助赵斌工作。
1958年9月初，蔡树藩副主任到北京体育学院视察工作，赵斌向蔡树藩副主任汇报工作时提出：想先筹备两年，再挂牌成立。蔡树藩这位独臂将军闻后当即指示说：“要什么筹备处？还要两年？写个牌子挂上去就成立了，你任所长，一边做一边筹备，一边筹备一边做。”不久，在北京体育学院家属区红四楼的南跨楼挂出了“北京体育科学研究所”的牌子。据1964年出版的国家体委《体育年鉴》记载，北京体育科学研究所的成立日期为1958年9月18日。
同年10月29日，国家体委下发〔58〕体办字51号文件《通知成立“北京体育科学研究所”的有关事项》给北京体育学院：“关于在北京建立体育科学研究所的问题，自1958年4月11日经国务院科学规划委员会以〔58〕科字第89号文批准后，即责承你院以副院长赵斌同志为首进行筹备。现定名为‘北京体育科学研究所’，并宣布正式成立，由赵斌同志兼任所长。公章由你处自行刻制后报我委备查，并可对外联络。”10月30日，国家体委发送〔58〕体办字52号文件《关于建立“北京体育科学研究所”的通知》给国务院科学规划委员会、中国科学院、教育部、卫生部、各省、自治区、直辖市体育运动委员会，指出：“为发展我国体育事业，迅速提高运动技术水平，必须大力开展体育科学研究工作，因此，特呈请国务院科学规划委员会批准筹建‘北京体育科学研究所’。现该所业已正式成立，由北京体育学院副院长赵斌同志兼任所长。地址暂设北京体育学院。特此通知。”
为尽快建立相对完整的现代体育科研体系，1958年11月11日至12月22日，在国家体委的大力支持下，所长赵斌率领中国体育科学考察团（成员包括：任慰农、王汝英、杨锡让、郭庆芳、郝成硕、刘慧荣等7人）访问苏联，学习建所经验。访问前，黄中副主任在接见考察团时明确指出：“这个工作（指体育科研）很重要，现在是补空白，是非补不可。补空白有劲，是非常好的事。这次出国的使命，重要的是‘西天取经’。要防止教条主义，主要是把问题在哪里搞清楚；当然学的开始总得搬点，但要迅速地按照中国情况办事；要学但不要拜倒，要加分析批判，对自己承认是空白，但也不能自卑；对苏联的科学家也要平起平坐，不要被吓住，要相信我们自己的实践”。根据体委领导人的意见，以赵斌所长为首的赴苏考察团，在苏联考察期间认真学习了有关建所的经验与方法，并在考察期间物色了一些在苏联学习的优秀中国学生，鼓励他们毕业后到科研所工作。
50年代初，北京体育学院设立了两年制的研究生班，先后聘请了前苏联专家凯里舍夫、吉潘莱特尔、柏琴柯等，教授体育理论、生理、田径、足球、体操、游泳、解剖和卫生8个研究生班，这是我国解放后的第一批体育研究生，其中，有的毕业后分配到科研所并成为科研所的第一批骨干。1959年，科研所又调进一批骨干力量，1960年，北京体育学院专门为科研所培养的一批毕业生（理论系三班）也加入了科研所的队伍。此外，1959年至1963年，科研所又陆续调入留苏、留匈的中国留学生及进修生，共计16人，占当时体育专业全部留学生的38%，显示了科研所领导对人才的重视和国家体委对创建体育科研所的支持。这样，科研所在编人员迅速扩大，从1958年刚建所时的18人到1960年底已达166人，在编人员规模已达到了同期莫斯科体育科学研究所的水平。从1960年开始，国家进入了困难时期，由于自然灾害及国际问题的影响，中央提出了“调整、巩固、充实、提高”的号召，并且明令：事业单位减员50%。在这种情况下，科研所被迫进行了人员分流，调整后在编人数为86人，被分流的人员主要安排在沈阳体育学院、西安体育学院和云南师范大学体育系工作。
建所之初，在业务部门的设置上，依据当时的任务需要，科研所首先成立了体育理论与实践研究室、运动生理研究室。到1959年又成立了运动医学、群众体育和资料等研究室。1960年，按科研所发展设想，将理论与方法研究室分成运动训练研究室、青少年训练研究室和生物力学研究组，此外，又成立了摄影和仪器装配两个辅助工作室。1961年精简机构后，科研所调整了业务建制，下设5个业务研究室和一个行政办公室，这样的业务机构设置一直延续到“文革”开始。至此，科研所在机构设置和人员配备方面初步成型。
