昭和23年６月13日，千葉県教育研究所は千葉師範附属小学校内に，「千葉県教育研究規程(昭和23年４月千葉県告示第276号)」の公布に基づき，「千葉県内の学校教育について，その目的，内容，方法にわたって全般的に研究し，本県の特殊性に基づく研究成果をもってその進歩改善をはかる」ことを目的として創設された。

昭和27年９月，同教育研究所は旧教員養成所校舎（旧千葉市吾妻町）へ移転した。昭和29年１月千葉県教育研究所設置条例，同年５月千葉県教育研究所規則が制定され，法的基礎が確立された。

昭和36年４月，千葉県教育研究所，千葉県教員講習所を統合して，新たに千葉県教育センターが発足し，山下重輔教育長が所長事務取扱として任命された。同時に，千葉県理科教育センターが開設され，両センターは合同庁舎（旧千葉市葛城町）に置かれた。昭和43年４月，文部省の「都道府県教育研修センター設置要領」に基づき，両センターを統合し千葉県教育センターが改めて発足した。昭和30年代後半から40年代にかけ，日本経済は高度成長期にあった。この社会情勢は千葉県政に新たな課題をもたらし，これらに対応するため昭和44年に策定された「千葉県新長期計画」の中に「教職員研修機関の整備充実」の方針が盛り込まれた。この方針を受けて，地方教育センターの設置が進められ千葉県教育センターの拡充が図られた。その後も，急速に進む経済成長と著しい人口の増加に伴い，県民の教育要請はますます多様化，高度化し，生涯教育への欲求が高まり，教職員研修事業総合計画の改善，教育研究，研修機関の将来構想等の検討が行われた。

県教育委員会は，昭和47年４月，「教育機関将来構想検討委員会」を設置し，昭和49年１月，「総合教育センター設置構想等検討報告書」をまとめた。さらに，昭和51年に策定された「千葉県新総合５か年計画」の中に位置づけられた。これによって，「本県における重要かつ基本的な教育課題に取り組むため，現在の教育センターの機能を拡充するとともに，それを中心に従来から構想されていた技術教育センター，情報処理教育センター，社会教育センター，視聴覚センター等を統合して，本県における教育研究及び研修の中核となる総合教育センターを建設する」ことが確定した。

昭和52年10月，「総合教育センター設置検討委員会」が発足してその動きが本格化し，昭和54年３月「千葉県総合教育センター基本構想」が策定された。翌55年２月に設置された「千葉県総合教育センター建設委員会」は，基本構想を踏まえ，具体的に建設計画の作成に着手し，施設・設備の整備に関する基本的事項をはじめとし細部について協議が進められた。昭和57年３月，建設用地は千葉市若葉２丁目（現千葉市美浜区若葉２丁目１３番地）と決定した。

昭和58年５月，「千葉県総合教育センター（仮称）に係る組織検討委員会」が設置され，昭和59年４月の開所に向けて，設備の設置，事業計画，予算要求の原案作成及び教育機関設置条例等の一部改正作業が円滑に進むよう，総合教育センター及び視聴覚センターの在り方が具体的に検討された。この結果，基本構想の７部制は１課５部制に，独立機関として位置づけられていた視聴覚センターは総合教育センター内に設置と変更された。

昭和59年３月，教育機関設置条例の一部を改正する条例が公布され，同年４月１日，千葉県教育センターを千葉県総合教育センターと改称し，装いも新たに発足した。新総合教育センターに，視聴覚教育の振興に資する事業を行う視聴覚センターが併設されるとともに，生涯教育の観点に立ち，社会教育の充実，振興に資する事業に社会教育部が加わり，名実ともに総合センターとして業務を開始した。また同年７月，科学技術棟が竣工し，同年９月，科学技術部門の移転が完了した。平成元年４月社会教育部が生涯教育部と改称され，同年12月には情報教育棟(現メディア教育棟)が竣工した。

平成４年４月，科学技術部門が教科領域部から独立し，科学技術教育部が設置される。また，平成７年４月，教育経営部と教科領域部を統合し，研修総務部が，加えて地方教育部が設置され，平成８年４月，生徒指導部が教育相談部と改称された。そして，平成９年３月に生涯教育部が組織改編により廃止となった。

平成14年４月，組織改編により，視聴覚センターを視聴覚教育部とし，情報教育センターを統合し，情報教育部の設置と教育相談部の廃止で１課６部体制となった。平成15年４月，特殊教育センターを統合，特別支援教育部を設置，１課７部体制となった。平成16年４月，４ヵ所の地方教育センターを地方教育部に組み入れ，研修所とした。翌17年４月，地方教育部を研修総務部に統合，１課６部体制となった。

平成19年４月組織改編により，総務課，研修企画部，カリキュラム開発部及び特別支援教育部の１課３部体制となった。

平成23年４月組織改編により，学力調査部が新設され，１課４部となった。
　平成28年12月幼児教育アドバイザーを配置し、文部科学省幼児教育推進体制構築事業委託を受け、幼児教育センター的機能をもつ部署を開設。
　平成29年６月全国教育研究所連盟総会・研究発表大会及び都道府県指定都市教育センター所長協議会総会・研究協議会 千葉大会を開催した。