O estabelecimento do CENA derivou da iniciativa de um grupo de professores da ESALQ, que vislumbrou o grande potencial do uso de técnicas nucleares em aplicações agropecuárias e ambientais. Diversos trabalhos empregando radioisótopos e radiações foram conduzidos por esses professores com auxílio de outros centros de pesquisas, como o IEA, atual IPEN e unidades da USP (FM, IF) após 1955. Com isso, iniciou-se o planejamento para estabelecer instalações dedicadas e concentradas em único local, de forma a racionalizar o uso dos equipamentos já existentes, aumentar a segurança dos laboratórios e promover maior interação entre os cientistas.
Os Professores Admar Cervellini, Almiro Blumenschein, Akihiko Ando, André Martin Louis Neptune, Darcy Martins da Silva, Enéas Salatti, Epaminondas Sansígolo de Barros Ferraz, Eurípedes Malavolta, Henrique Bergamin Filho, Klaus Reichardt, Otto Jesu Crocomo e Renato Amilcare Catani encaminharam então ao Conselho Técnico Administrativo da ESALQ a proposta para a criação do Centro Nacional de Energia Nuclear na Agricultura (CNENA) como órgão da ESALQ, a qual foi referendada pela Congregação em setembro de 1961. Em 1º de agosto de 1962, o CNENA foi oficializado por meio da assinatura de um convênio entre a ESALQ, a Universidade de São Paulo e a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN). Nos dois anos que se seguiram, desenvolveu trabalhos pioneiros, realizou cursos internacionais e diversos equipamentos foram instalados no CNENA. Porém, a instauração do governo militar em 1964 levou à suspensão de todos os convênios vigentes, o que determinou a extinção do CNENA.
O projeto de criação de uma instalação unificada para a pesquisa com aplicações nucleares em agricultura foi retomado pelos professores da ESALQ, culminando na criação do Centro de Energia Nuclear na Agricultura por meio do Decreto Estadual 46794, publicado em 22 de setembro de 1966 como instituto anexo à ESALQ. O CENA passou então a receber apoio financeiro e material da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) através de acordo assinado em 1968, com duração de cinco anos. Nesse período, foram concluídas as primeiras instalações físicas do CENA.
Em 1972 foi assinado um convênio entre a CNEN e a United Nations Development Programme (UNDP), administrado pela Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA, Viena, Áustria), que previa liberação de recursos de 1,3 milhões de dólares e intercâmbio científico com duração de cinco anos. Em decorrência desse convênio foi instalado o único escritório exclusivo da AIEA na América Latina, o qual foi operativo até 1991. Isto foi fundamental para o desenvolvimento da Instituição, pela ampliação do parque de equipamentos, mas principalmente pelo treinamento e intercâmbio de pesquisadores, o que proporcionou a vinda de peritos e o estágio de seus técnicos em centros mais avançados.
Em março de 1972 iniciou-se o curso de Pós-Graduação do CENA na área de concentração “Energia Nuclear na Agricultura”, que integrava o curso de Pós-Graduação em Agronomia da ESALQ/USP. Essa situação mudou somente em janeiro de 1990 quando o Conselho de Pós-Graduação da USP autorizou o CENA a assumir a responsabilidade pelo curso, já que a maioria dos professores e orientadores credenciados eram contratados pelo CENA e o programa se desenvolvia na Instituição. No mesmo ano, o Conselho Federal de Educação autorizou a alteração para Curso de Pós-Graduação em Ciências, área de concentração: Energia Nuclear na Agricultura.
Neste período o CENA já oferecia um programa regular de formação de pessoal em nível de graduação (Iniciação Científica), denominado de Curso de Introdução à Energia Nuclear na Agricultura (CIENA). As aulas aconteciam no período noturno durante o ano letivo e em regime de tempo integral durante as férias escolares. O curso, iniciado em 1968, visava à formação de técnicos em aplicação de técnicas nucleares na pesquisa e no melhoramento de produtos agrícolas e era voltado aos alunos do segundo ano do curso de Engenharia Agronômica. O CIENA tinha a duração de dois anos, 800 horas de aulas teórico-práticas, incluindo o estágio em laboratórios. Foi oferecido até 1995 e cerca de 220 alunos o cursaram.
Em 1977 o CENA foi incorporado à estrutura da Universidade de São Paulo e em 1980 passou a contar com um regimento interno que; entre outras providências, regulamentava o quadro funcional. Os pesquisadores do CENA eram inicialmente contratados sob a égide da Resolução 540/1974 da USP e não possuíam a função de docentes. Em 1985 o CENA passou a integrar, juntamente com a ESALQ, o campus de Piracicaba, hoje denominado “Luiz de Queiroz”. Por ocasião da Reforma Universitária de 1988, o CENA passou à categoria de Instituto Especializado, sendo enquadrado como um dos órgãos de integração da USP.
Foi apenas a partir de 1996, após a aprovação do Regimento do CENA, que foram contratados os primeiros Professores Doutores e realizados os primeiros concursos próprios de Livre Docência e Professor Titular. O estabelecimento de todos os níveis da carreira acadêmica na Instituição foi concluído com a realização de concursos públicos para efetivação da maioria dos pesquisadores como professores a partir de 1999.
Em seguida, os agora docentes do CENA participaram ativamente na proposição e estabelecimento dos cursos noturnos de graduação em Ciências Biológicas e Gestão Ambiental na ESALQ a partir de 2000. Houve um incremento significativo na participação dos docentes do CENA na graduação, sendo hoje oferecidas 36 disciplinas a seis cursos, envolvendo 28 dos atuais 37 docentes.
O CENA é um instituto especializado da USP, fundado em 1966 por docentes da ESALQ-USP com a missão de difundir o conhecimento científico e tecnológico e contribuir, através da formação de recursos humanos, para melhoria da produção e da oferta de alimentos saudáveis, atuando em defesa do ambiente por meio de atividades de pesquisa e ensino. 
