המחקר המדעי ביטחוני החל בשנות ה-30 במקביל להתפתחות התעש. במחקר שנערך בחשאי השתתפה קבוצה קטנה של מדענים מהמוסדות האקדמיים בארץ וכן מהנדסים שעבדו בגופים ציבוריים ופרטיים. בתחילה עסקו החוקרים בעיקר בפתרון בעיות בייצור השוטף של כלי נשק ואמצעי לחימה. בשנות ה-30 המאוחרות התחילו החוקרים לפתח חומרי נפץ, מנגנוני חבלה, חומרי לחימה כימיים (כגון גז מדמיע ופצצות עשן) ועוד.
בשנת 1945, לאור הפיתוחים המדעיים שהשפיעו על תוצאות מלחמת העולם השניה,
ולנוכח סכנת המלחמה עם הערבים, הוחלט לגייס אנשי מדע נוספים למאמץ
ההצטיידות הביטחונית. מאיר
רבינוביץ' (בץ), איש 'הגנה' ירושלמי, החל להפעיל מדענים ממוסדות שונים בניסיונות
פיתוח של אמצעי לחימה. בינואר 1946 הוקמה ביוזמתו מחלקת המחקר המדעי של ה'הגנה' בראשותו של
פרופ' יוחנן רטנר. בעזרת תקציב ראשוני מצומצם החל ייצור של חומרי נפץ, ערפל מלאכותי ואמצעי קשר. באוקטובר 1947, כשהתגברה סכנת המלחמה עם הערבים, החליט דוד
בן-גוריון לרכז את כל פעילות המחקר והפיתוח הצבאיים ברשות אחת. הוקמה מחלקת המדע
של ה'הגנה' והוענק לה תקציב גדול יחסית. התמנתה הנהלה מדעית בראשות ד"ר דוד (ארנסט) ברגמן. כמזכיר וראש המחלקה בפועל שימש שלמה גור. תוך זמן קצר גויסו לשרות המחלקה מאות מדענים, מהנדסים וטכנאים בכירים.
ביזמתו של ראש האגף לפיתוח נשק, ייבגני (ז'נקה) רטנר, פותחו ויוצרו כלי
נשק בקצב מזורז. מאחר ומפעלי התעש עסקו בהעתקת דגמים של כלי נשק וייצורם, הוקמו בתי מלאכה מיוחדים
לייצור הפיתוחים המקוריים של המחלקה המדעית. אהרון דונגי, איש הפלמ"ח, אירגן, תיאם, וניהל את היצור בבתי המלאכה.
 ביקור דוד בן גוריון בחמ"ד, שנת 1953, מימין: ידידיה שמיר נושא הסבר בפני פרופ' דוד ברגמן, דוד בן גוריון ואל"מ ז'נקה רטנר |
ב-17 מארס 1948, הוקם חיל המדע (חמ"ד) במסגרת ה'הגנה'. החמ"ד היה כפוף למחלקת המדע במטכ"ל ה'הגנה' ושימש כזרוע מבצעת שלה. שלמה גור מונה למפקד החיל וייבגני רטנר הופקד על פיתוח הנשק. עם הקמתו רוכזו בחמ"ד כל צוותי הפיתוח הביטחוני שפעלו עבור ה'הגנה' במוסדות שונים בארץ וגוייסו מאות מדענים צעירים נוספים. אחרי הקמת צה"ל המשיך חמ"ד לפעול במסגרתו. בתחילה התבסס החמ"ד על מכוני המחקר הקיימים באוניברסיטה העברית, בטכניון ובמכון וייצמן. במהלך מלחמת העצמאות הוקמו מכוני מחקר עצמאיים של החיל. במכונים אלו רוכזה גם עבודת הייצור שנעשתה בעבר בבתי מלאכה ובמפעלים פרטיים וציבוריים. המכונים היו בגבעת רמב"ם, בגבול גבעתיים-תל-אביב - 'הגבעה'; בירושלים - מכון 2; בכורדני (מפרץ חיפה) - מכון 3; במכון וייצמן - מכון 5. לכל מכון היתה מידה גדולה של אוטונומיה והוא התרכז בתחום מחקר יחודי משלו. אנשי החיל עסקו בשלושה תחומים עיקריים: תכנון כלי נשק, פיתוח עזרים אלקטרוניים ופיתוח חומרי הדף וחומרי נפץ. מחלקת הנשק פיתחה וייצרה מוקשים מסוגים שונים, מטולי 'פיאט', מרגמות, פצצות אוויר, מערכות קשר, ג'יפים, סירות חבלה בלתי מאויישות, רקטות ועוד. בחיל המדע שרתו כ-800 איש.
בשנת 1952 במסגרת הערכות מחודשת של צה"ל הוחלט לפרק את חיל המדע ולהעביר את פעילותו למשרד הבטחון לאגף מחקר ותיכון (אמ"ת) בראשותו של מאיר (מוניה) מרדור. בשנת 1958 לאחר תהליך של התרחבות והתארגנות הפך אגף זה ל'רשות לפיתוח אמצעי לחימה' (רפא"ל).