细胞生物学系的前身是北京医学院细胞研究室，是在负责毛泽东主席遗体保护及瞻仰的“一号任务”基础上转移工作重心组建而成。著名的解剖学家、细胞生物学家谭曾鲁教授担任“一号任务”主任并兼任细胞研究室主任。1985年随着北京医学院更名为北京医科大学，细胞研究室改称为北京医科大学细胞生物学教研室，1989年周柔丽教授担任第二任主任。本学科于1990年被国务院学位委员会批准为硕士学位授权点，1996年被批准为博士学位授权点。2000年4月，随着北京医科大学与北京大学的合并，细胞生物教研室与遗传学教研室联合组建了北京大学医学部细胞遗传学系。2001年北京大学医学部的“医学细胞生物学科”与北京大学生命科学院的“细胞生物学”学科联合申报，被批准为全国重点学科。2000年2月海外归来的教育部特聘长江学者李凌松教授创建了全国最早的干细胞研究机构——北京大学干细胞研究中心。2001年10月北京大学干细胞研究中心并入细胞遗传学系，李凌松教授担任细胞遗传系主任。2004年细胞遗传学系分离为细胞生物学系和医学遗传学系。2012年干细胞研究领域杰出的领军人物、教育部特聘长江学者、北京大学特聘教授邓宏魁担任细胞生物系主任并兼任北京大学干细胞研究中心主任。2023年北京大学干细胞研究中心和北京大学医学部各附属医院从事干细胞再生医学的研究团队联合组建了北京大学干细胞再生医学中心，邓宏魁教授担任干细胞再生医学中心主任。