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제2차 세계대전의 결과로 나타난 과학과 기술 진보의 영향으로 생겨난 조직으로 1950년에 국립과학재단법(National Science Foundation Act)을 바탕으로 미국 국회가 설립했다. 1990년대 중반 30억 달러에 달하는 예산으로 과학자와 학생, 교사에게 1년에 2만 개가량의 상을 수여했다. 학술기관에서 시행하는 기초과학 연구에 대한 총 연방 지원액 가운데 1/4 정도를 제공했으며 미국 내 기초과학 연구자금을 마련하는 주요 공급원 역할을 담당했다.

생화학과 지리과학, 수학, 물리학, 북극과 남극 연구, 사회과학, 행동과학, 경제학, 컴퓨터 과학, 정보과학, 공학에 관한 연구 지원금을 승인한다.

또한 초등학교에서 대학 졸업자 수준까지 수학과 과학 교육 계획에 대한 지원을 제공한다. 연구소를 운영하지는 않지만 다양한 과학 분야에 대한 연구를 수행하는 미국남극계획을 위한 자금을 조성하고 관리한다. 남극계획은 1959년에 수립되었다.

국립과학재단은 '천문학 연구를 위한 대학연합'(Association of Universities for Research in Astronomy)의 행정기관 역할을 한다. 천문학 연구를 위한 대학연합은 애리조나 주 투손 근방에 위치한 키트피크국립천문대를 비롯한 다른 2곳의 천문대에서 천문학·광학 연구를 수행하는 20개 대학교로 구성된 협력체이다. 1991년에 하와이와 칠레의 최적화 조망 지역에 8m 길이의 망원경을 구축하는 사업이 국립과학재단의 관리 아래 착수되었으며 20세기 말까지 완료 예정이었다.

그밖의 다른 활동으로는 미국국립기상연구소(National Center for Atmospheric Research) 운영을 돕고 미국과 다른 나라의 연구자들 간의 정부간 협력을 지원하는 일을 한다. 연구비 지원 가운데 가장 두드러진 성과를 보인 것은 인터넷을 통해 발전된 실험적인 컴퓨터 통신망 연구이다.