2000년대 이르러 정부의 연구개발 투자 규모는 지속적으로 증가하였으나 대부분 성과 중심의 응용·개발 연구 지원이 주를 이루어왔고, 기초 연구의 측면에서는 선진국과의 격차가 지속되고 있었다. 이에 따라 정부는 성장의 원천을 기존의 기술보다는 순수 ‘기초과학’과 ‘사람’에서 찾고 기초연구와 비즈니스를 융합할 새로운 방식의 거점 지역 및 기능 지구를 육성하게 되었다. 즉 세계의 우수한 두뇌가 모여들 수 있는 글로벌 수준의 기초연구 환경을 갖춘 지역을 선택하여 집중 지원하고, 장기적으로 이곳에서 창출된 새로운 지식과 연구 성과를 인근 지역으로 확산함으로써 고부가가치의 첨단 과학기업이 활성화되는 새로운 비즈니스 환경을 구축할 필요성이 대두되었다.
이명박 정부는 인수위 국가경쟁력강화위원회 산하에 국제과학비즈니스벨트 TF를 구성하여 기초과학연구원과 대형연구시설을 핵심으로 하는 추진 방안을 마련하는 한편, 이를 100대 국정과제에 포함하는 등 과학 벨트 추진에 강력한 의지를 보였다. 2008년 10월에는 교육과학기술부에 국제과학비즈니스벨트추진지원단을 정식으로 구성하였고, 2009년 1월에 개최된 제29회 국가과학기술위원회에서 2015년까지 총 3.5조원을 투자하는 「국제과학비즈니스벨트 종합계획」을 수립하여 기초과학연구원 구성의 개방형 운영체제 도입, 핵심 연구시설인 중이온가속기 설치, 첨단 사업단지 및 국제적 정주환경 조성, 거점-기능 지구 연계에 관한 청사진을 마련하였다.
2011년 1월 4일 「국제과학비즈니스벨트 조성 및 지원에 관한 특별법」이 제정되고 2011년 4월 5일 시행됨에 따라 교과부 장관을 위원장으로 관련부처 차관 및 민간전문가 등 총 20인으로 구성된 과학벨트 위원회를 구성하여 입지 선정 등의 주요 사항을 심의·의결하였다.
2011년 5월 16일 「국제과학비즈니스벨트 추진계획」을 발표하고 대전 신동·둔곡지구를 거점지구로, 청원군·천안시·연기군(현 세종시)을 기능지구로 확정하였다. 추진계획에서는 기존 종합계획의 예산 규모 3조 5천억원을 총 5조 2천억원으로 확대하고 기초연구에 대한 집중 투자를 확정하였다.
특별법을 근거로 한 기초과학연구원 설립위원이 구성되어, 2011년 11월 연구원을 설립하고, 초대 원장으로 오세정 당시 연구재단 이사장을 선임하였다. 또한 2011년 12월에는 「국제과학비즈니스벨트 기본계획」을 수립하여 1단계 사업(2012-2017년) 기간 중 과학벨트를 세계적인 연구 거점으로 조성하기 위한 기본 조성을 목표로 기존 추진 계획의 내용을 구체화하였다. 2011년 12월에는 기초과학연구원 내에 중이온가속기구축사업단을 설치하여 서울대 김선기 교수를 단장으로 선정하고, 2017년 완공을 목표로 한 「중이온가속기 구축사업 기본계획」을 수립하였다.