Asema perustettiin vuonna 1953 Lammin kirkolta ostetuille pappilan maille. Kun mahdollisuus aseman perustamiseen syntyi, katsottiin että Lammin monipuolinen ympäristö järvineen, metsineen, puroineen, soineen ja harjuineen oli otollinen paikka biologiselle asemalle. Kaiken lisäksi Lammi sijaitsi lähellä Evoa, jossa oli tehty metsiin liittyvää tutkimusta ja järjestetty koulutusta jo 1850-luvulta saakka. Kun Lammi vielä sijaitsi lähellä Helsinkiä (130 km), muodostui asemasta ihanteellinen paikka kenttäkurssien järjestämiseen, joissa opiskelijat oppivat ekologian ja lajien tunnistuksen perusteet.
Aseman historiasta kertoo kirja: Pappilamiljööstä kansainvälisen tieteen tyyssijaksi: Lammin biologisen aseman puoli vuosisataa
Vanhan pappilan rakennukset eivät kuitenkaan soveltuneet uuteen käyttötarkoitukseensa, joten vuonna 1970 rakennettiin aseman nykyiset rakennukset. 1970-luvulla Lammista tuli, kenttäkurssien ohella, vuoden ympäri toimiva tutkimuslaitos, ja merkittävät tutkimusprojektit kuten Suomen Akatemian rahoittama Pääjärvi-projekti aloitettiin. Projektin tarkoituksena oli tutkia koskemattoman boraalisen järven ekosysteemin rakennetta, ekosysteemitoimintoja ja tuotantoa.
Pääjärvi-projektin myötä vesiekologiasta muodostui aseman päätutkimusaihe. Vuosien aikana tutkimus on keskittynyt järvien happamoitumiseen, metsä- ja maatalouden ravinnekuormitukseen järvissä ja ilmastonmuutoksen vaikutuksiin järviekosysteemeissä. Lammin biologinen asema on tullut tunnetuksi myös useiden muiden tutkimusalojen keskuksena (paleontologinen, maantieteellinen, suo- ja maaekosysteemien tutkimus) ja saavuttanut tunnettuutta myös kansainvälisesti.
Suuri suomalainen ekologi Ilkka Hanski aloitti opiskelu-uransa Lammilla syksyllä 1972. Myöhemmin 1970-luvun puolivälissä, kirjoitettuaan gradunsa ja lisensiaattityönsä, hän siirtyi Oxfordiin tekemään väitöstyötään lantakuoriaisten yhteisöekologiasta. Hanskin palattua Suomeen Lammin biologisella asemalla oli merkittävä asema hänen uraauurtavassa metapopulaatioekologiaa käsittelevässä tutkimuksessaan, jossa hän käytti mallina täpläverkkoperhosta (Melitaea cinxia). Hänen kokeellinen työnsä Ahvenanmaalta peräisin olevilla perhosilla tehtiin Lammille vuonna 2007 rakennetuissa perhoshallissa ja ulkoaitauksissa, jotka sijaitsevat aseman päärakennuksen vieressä. Perhostutkimus jatkuu asemalla edelleen.