在1946年5月2日的一份报告《试验性环球宇宙飞船初步设计》（Preliminary Design for an Experiental World-Circling Spaceship）中，道格拉斯飞机制造公司（Douglas Aircraft Corporation）研究分析了卫星在科技和军事用途的潜在价值，包括“观测”用途。几乎9年之后，1955年3月16日，美国空军发布了“常规作战需求第80号令”（General Operational Requirement No.80），正式确立先进侦察卫星的需求。在此之后的5年中，美国侦察卫星计划经历了多种多样的发展演变。空军的计划最初被定名为先进侦察系统（Advanced Reconnaissance System），之后为“哨兵”（SENTRY），最后是“卫星反导弹观测系统”（Satellite Anti-missile Observation System）。
考虑到可能需要花费大量的时间才能实现卫星反导弹观测系统计划的最初目标——开发可以通过电子手段传回图像——艾森豪威尔（Dwight D.Eisenhower）总统1958年2月批准将该计划列为中央情报局的一个项目。这一项目被命名为“日冕”（CORONA），其目标就是要研制开发可以通过胶卷筒传回图像的卫星。到1960年6月，卫星反导弹观测系统继续出现各类问题，迫使艾森豪威尔总统下令重新审查这一计划。重新审查于1960年8月25日宣告结束，艾森豪威尔总统在一次会议上接受建议，简化该项目的管理程序。新的管理程序确立空军部长对项目总监垂直管理权力，取消了包括空军参谋在内的诸多中间官僚环节。
1960年8月31日，空军部长杜德利·夏普（Dudley C.Sharp）下令在自己的办公室内部成立一个“导弹和卫星系统办公室”（Office of Missile and Satellite System），以帮助部长“免除其指挥、监督和控制卫星反导弹观测系统项目的责任”。同一天，夏普还指示在加利福尼亚的“空军弹道导弹联队”总部设立卫星反导弹观测系统项目办公室，作为空军部长办公室的现场分支。命令指示，“该办公室主任负责并直接向空军部长汇报”。
这些命令为空军计划确立了一套新的管理体系，但丝毫没有影响中央情报局的“日冕”计划管理体系。当然，这一系列的事件和人事变动促成了国家侦察机构的产生。其中包括两名重量级的总统科学顾问，詹姆斯·基里安（James Killian）和埃德温·兰德（Edwin Land）。再看美国空军和中央情报局在U-2、“牛车”和“日冕”的成功合作，正是这些项目推动两个机构实现了长期、制度化的合作。
随着约翰·肯尼迪入主白宫，空军副部长约瑟夫·查理克（Joseph Charyk）应基里安和兰德要求提交了一份报告，建议就卫星侦察成立国家统一的协调机构。7月中旬后，国防部长罗伯特·麦克纳马拉（Robert McNamara）要求查理克起草一份特别的文件，使其建议付诸实施。最初的原始建议，到最后文件形成过程中有一项关键性的改变，就是，这个协调机构的职责从卫星侦察扩展至禁区空中侦察，包括卫星侦察和选择性的人力操作和非人力操作的空中飞行系统等一系列职责。
1961年9月6日，中央情报局代理局长查尔斯·卡贝尔（Charles Pearre Cabell）将军和国防部副部长罗斯维尔·吉尔帕特里克（Roswell Gilpatric）共同签署了一份合作协议，成立国家侦察局，作为中央情报局和空军的联合行动机构。1962年，美国海军空中侦察力量——GRAB电子情报卫星，并入该办公室。为保证最初“母体”的性质，未来30年国家侦察局架构的根本，包括一名局长（最终是一名副局长）、一个参谋部（由一名空军准将负责，直接向局长汇报）和三个项目部：“项目A”（位于埃尔塞贡多空军特殊项目办公室）；“项目B”（中央情报局的U-2，“牛车”和卫星活动）；“项目C”（海军，最初总部位于华盛顿州）。1963年初，空军的第二个重要部分——“项目D”立项，最初是为了完成当时被命名为R-12的项目（随后成为SR-71项目，是“牛车”的美国空军版）。“项目D”承担TAGBOARD/D-21无人驾驶侦察机项目和一个非侦察项目——R-12拦截机。“项目D”一直属于国家侦察局的一部分，直到1969年SR-71项目移交给空军战略司令部；1970年或1971年“项目D”正式解散。
作为一个机构秘密存在了30年之后，1992年，国家侦察局存在的“事实”得以解密。中央情报局局长罗伯特·盖茨面对参众两院情报监督委员的联合公开听证会，宣布了重组计划。他声称，“美国情报界机构将进行意义深远的内部重组，有责任设计、建立并实施我们的空中侦察能力。”
重组涉及三个主要业务处，替换以字母顺序编号的项目办公室——图像情报处、信号情报处，以及通信系统采办和行动处——每个处既负责情报获取，又负责监督合同研究和开发机构以及定购和运作相关的航天器和地面站。
国家侦察局总部位于弗吉尼亚州尚蒂伊，是一座具有四个办公区域的建筑，靠近杜勒斯国际机场。服务于国家侦察局的政府工作人员，绝大部分来自空军、中央情报局、国家安全局和海军。1997年，国家侦察局2753名雇员中，1456人来自空军（占53%）、649人来自中央情报局（占24%）、412人来自国家安全局（占15%），214人来自海军（占8%），还有22人来自其他部门，如国防部情报局和陆军（少于百分之一）。2006年3月，美国政府审计署（Government Accountability Office）估计，空军人员占据国家侦察局全部雇员的57%。随着开发与工程办公室解散，中央情报局委派在国家侦察局的人员被限定在科技处行动区域。今天，国家侦察局的政府工作人员全部大约2800人，虽然该局的合同承包人员达数千人，他们或者在国家侦察局总部工作，或者在承包商的公司里负责国家安分局的项目。国家侦察局2013年度预算需求是103亿美元。
正如过去以项目ABC的架构运营了数十年，国家侦察局同样是根据两份授权准许文件运营了数十年：一份是1964年国防部令，一份是1965年中央情报局长和国防部长联合签署的协议。2009年，凭借2010年度预算国会情报授权法案，国会批准授权国家情报总监和国防部长为国家侦察局制定一份新的章程，更新1965年双方签署的协议。
2010年9月21日，国家情报总监詹姆斯·克拉珀二世（James R.Clapper Jr.）与国防部长罗伯特·盖茨签署一份关于国家侦察局的合作备忘录，明确详细说明，国家侦察局负责“研究和开发、获取、实施空中系统行动和相关数据的处理，以搜集情报”。合作协议还确切说明，国家侦察局长承担三个明确的职责：管理和运作国家侦察局各项任务、担任国防部长和国家情报总监的空中侦察首席顾问，以及共同分担“领导和管理国家安全航天部门”的责任。这份协议还确定，国家侦察局长必须建立并主持“空中侦察顾问小组”（Overhead Reconnaissance Advisory Group），担任国家侦察局长的空中侦察首席顾问。
2011年6月发布的一份更为详尽的国防部长令，被视为国家侦察局目前的行动章程。这份部长令重申协议中的任务使命，除其他主题外，还继续探讨组织机构管理、行动相关的责任与作用（包括为军方、情报界、安全和反情报部门提供支持）、成立空中侦察顾问小组和情报获取。该项命令中关键一条是对“空中侦察”的定义。这个术语传统意义既包括太空，也包括在禁入区实施飞越领空的空中侦察行动，说明国家侦察局参与了太空和空中侦察系统（载人和无人驾驶）的开发制定与实施。然而，该项命令将空中侦察定义为“以太空为基地而实施的活动，其主要目的是开展，或能够开展情报搜集活动”，暗示国家侦察局在开发空中侦察系统方面将不发挥作用。这一定义还明确，空中侦察包括“联合研究与开发、获取、测试和评估和由卫星实施或通过卫星实施的侦察系统行动以及通讯、数据处理，航天及其装备的指令和控制”。不仅如此，命令明确规定，国家侦察局局长必须确定某一特殊通信焦点，以代表国家侦察局对国防部长直接领导的“特殊通信企业办公室”（Special Communications Enterprise Office）的特殊意义，反映国家侦察局数据过滤的重要作用——通过其卫星接收和传递传感器获得的数据。
目前的组织架构，如图2.7所示，体现了该机构的业务部门数量显著增加，反过来说明国家侦察局在完成和实施其任务战术方法上发生了较大变化。1992年和1993年成立的部门继续采取全始全终战术方法，即某个单一部门设计、开发、建造并运行卫星。而在随后的20年间，国家侦察局将这些功能分散到数个业务部门。
年6月，国家侦察局成立了一个反情报办公室以“提高对外国间谍对国家侦察局计划、设施和人员以及反情报活动的威胁的意识”。该部门主要职能包括研究与分析；国家侦察局、反情报机构和调查机构的内部协调；以及行动支持。2006年3月，国家侦察局局长宣布，反情报办公室重新合并划归安全办公室，该办公室负责人即为安全与反情报办公室主任，直接向第一副局长汇报。
图2.7 国家侦察局组织架构图
图像情报系统获取与行动处（IMINT, Systems Acquisition and Operation Directorate）和信号系统获取与行动处（SIGINT, Systems Acquisition and Operations Directorate）更改为图像情报系统获取处（Imagery Intelligence Systems Acquisition Directorate）和信号情报系统获取处（Signals Intelligence Systems Acquisition Directorate），表明这两个处的职责仅仅就是太空侦察获取。轨道航天器运营的责任划归给“任务行动处”（Mission Operation Directorate），而负责控制地面站和处理接收到的数据的工作归由“地面企业处”（Ground Enterprise Directorate）负责。任务行动处的建立，代表在太空情报数据方面向客户提供单一联络，不必考虑获取信息数据的搜集系统。而地面企业处的建立，代表了国家侦察局的期望，争取对地面站的工作给予极大重视。
国家侦察局的其他三个关键业务处是：先进系统与技术处（Advanced Systems&Technology）、系统工程处（Systems Engineering）和任务支持处（Mission Support）。先进系统与技术处，在一个审议小组的建议下，于1997年成立，是在系统应用办公室（Office of Systems Applications）的功能职责基础上升级扩大组建，负责调查小型卫星实施侦察行动的可能性。该部门的任务就是调查和研究并开发与现有运营中的系统截然不同的侦察系统。
2006年10月15日，主管系统工程的副局长办公室被第五个处——系统整合与工程处——替换，目的是为系统工程制定标准、开发和协调国家侦察局其他业务处进行高层组织架构描述，以及“审查所有主要的取舍分析和建筑方案……之后才能向国家侦察局之外的机构介绍”。现在该部门的名称是“系统工程处”。
任务支持处的源起可以追溯到1990年4月，当时设立了一个主管军事支援的副局长（Deputy Director for Military Support）职位，负责促进和帮助国家侦察局为军事指挥官提供支持。1996年末，主管国家后勤支持的副局长（Deputy Director for National Support）一职设立，以平衡主管军事支援副局长的职位。根据国家后勤支援副局长的岗位职责的表述，这一新职位是“与所有国家部门和机构的高级官员保持密切联络，这些高级官员能够代表他们当前与未来太空为基础的空中侦察需求”。这个职位的产生，是为应对局内不断出现的对军事行动支援范围和重心扩大的担心。2006年，这两个职位合并为单一的主管军事支援的副局长。随后，这个职位被撤销，该职位的所有职能和责任划归为一个业务处。
国家侦察局的“企业员工处”（Corporate Staff）下辖若干办公室，其中之一是“安全与反情报办公室”（Office of Security and Counterintelligence）。1992年6月，国家侦察局成立了一个反情报办公室以“提高对外国间谍对国家侦察局计划、设施和人员以及反情报活动的威胁的意识”。该部门主要职能包括研究与分析；国家侦察局、反情报机构和调查机构的内部协调；行动支持。2006年3月，国家侦察局局长宣布，反情报办公室重新合并划归安全办公室，该办公室负责人即为安全与反情报办公室主任，直接向第一副局长汇报。