为更好地服务粤港澳大湾区国际科技创新中心建设，广东省科技厅、广州市人民政府、广州高新区、北京协同创新研究院（简称“协同院”）于2019年8月29日发起设立粤港澳大湾区协同创新研究院（简称“研究院”），并与华南理工大学、南方科技大学、香港大学、香港科技大学、澳门大学等湾区著名高校共建，与我国综合类国家技术创新中心——京津冀国家技术创新中心建立联动机制，构建全球化协同创新体系，打造国际优异的“原始创新策源中心、新兴产业培育中心、创新人才培养中心”。
一体化开展协同创新。以智能制造、光电、材料、医疗器械、生物医药、环境保护等为重点方向，与国内外知名大学、协同院合作研发前沿技术；自建共建工程技术平台，组建专职科研团队，将前沿技术接续加速研发为原创性工程技术；通过技术入股组建企业，或技术转让、许可等形式，实施技术产业化，形成先进生产力。同时，与企业联合开展产业链关键技术协同攻关，促进产业升级。
专业化培养创新人才。与国内外优异大学联合培养创新创业研究生，学生在大学学习专业基本理论课，在研究院的相关平台学习创新创业方法课和以真实项目为基础进行实战训练，培养知行合一的高端人才，促进科技、经济、教育深度融合。
市场化配置创新资源。组建知识产权基金以科研投资形式支持技术研发，组建产业加速基金以股权投资形式支持技术产业化，形成了覆盖全创新链的资金链和市场化配置资源机制，促进了科技经济融合。
目前，研究院与一批国际知名大学建立了官方合作关系，建成了多个技术研发平台，每年实施一批优异的科研项目，培育了一批高成长性“硬科技”企业，培养了大批创新创业研究生，初步成为了大湾区重要的原始创新引擎。
研究院于2019年获批建设“广东省高水平创新研究院”、2021年获批广东省新型研发机构。
2021年10月21日，研究院与协同院共同携活细胞超灵敏超分辨显微镜、智能呼气分析精准诊断平台、纳米金属透明电极、集成式智能电子皮肤等成果亮相国家“十三五”科技创新成就展，向公众展现了研究院在“十三五”期间科技创新领域取得的阶段性成就，受到中央领导的高度肯定。
截至2022年11月，研究院通过协同院的全球化创新网络，与斯坦福、密西根、牛津、北大、港科大等多所优异高校形成了紧密合作关系，累计启动具有国际先进水平的项目30余项，涵盖生物医学工程、生物医药、新材料、环境保护和电子信息等领域，其中国际项目超过50%。已有“活细胞超灵敏超分辨显微镜”、“智能呼气分析精准诊断平台”等多项成果完成研发并进入产业化阶段，设立的高科技企业中已有5家实现大额社会融资，成果转化取得突出成效。