Лаборатория была образована в 2003 году путем объединения Лаборатории рентгеновской оптики и электронной микроскопии и Лаборатории структурного анализа.

ЛСА начала функционировать в ИФТТ АН СССР в 1964 г. вначале в качестве группы рентгеноструктурного анализа. Статус лаборатории был утвержден Ученым Советом в 1976 году. Состав лаборатории менялся по мере роста ИФТТ, освоения новых методик и расширения научных тематик.

ЛРОЭМ была образована в 1981 году на базе ренгентопографической группы входившей тогда с состав Лаборатории реальной структуры кристаллов.

В настоящее время в ЛСИ сосредоточены основные, имеющиеся в институте методики, связанные с изучением структуры и состава материалов и соответствующее оборудование для электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализа монокристаллических, поликристаллических и аморфных объектов при низких (вплоть до гелиевых), комнатных и повышенных температурах. Всю деятельность лаборатории можно условно разделить на две части: собственно научную и научно-методическую, когда сотрудники лаборатории выполняют структурные исследования для других подразделений института. Такая ситуация предопределяет необходимость в лаборатории большого количества инженерно-технических сотрудников, связанных с обслуживанием оборудования и выполнением заказов других подразделений, а также разнообразие тем исследований, проводимых в лаборатории. Лабораторию как научное подразделение всегда отличает быстрая адаптация к появлению новых классов объектов и развитие собственных подходов к анализу необычных структурных состояний. Подобный подход ярко проявился при исследовании апериодические кристаллов и структур, металлических стекол и нанокристаллических сплавов, органических проводников и др.