เมื่อ พ.ศ. 2512 พระบาทสมเด็จพระบรมชนกาธิเบศร มหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร เสด็จพระราชดำเนินไปทรงรับสั่งถามชาวแม้วบ้านดอยปุย ซึ่งอยู่ใกล้พระตำหนักภูพิงค์ราชนิเวศน์ ว่า นอกจากปลูกฝิ่นขายแล้วยังมีรายได้จากพืชอื่นหรือไม่   จึงทำให้ทรงทราบว่านอกจากฝิ่นแล้ว ชาวเขายังเก็บท้อพื้นเมืองขาย แม้ว่าจะลูกเล็กก็ตามแต่ก็ยังได้เงินเท่า ๆ กัน หากสามารถค้นคว้าหาพันธุ์ที่เหมาะสมและได้ผลใหญ่ จะต้องทำเงินได้ดีกว่าฝิ่นแน่ ประกอบกับทรงทราบว่าที่สถานีทดลองดอยปุย ซึ่งเป็นสถานีทดลองไม้ผลเมืองหนาวของมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ใกล้กับพระตำหนักภูพิงค์ ได้นำกิ่งท้อลูกใหญ่ของฝรั่งมาต่อกับต้นตอพันธุ์พื้นเมืองได้  จึงทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ พระราชทานเงิน สองแสนบาท เพื่อจัดหาที่ดินบริเวณใกล้กับสถานีดอยปุย สำหรับการวิจัยไม้ผลเขตหนาว ต่อมาเรียกพื้นที่ดังกล่าวว่า สวนสองแสน แต่พื้นที่ดังกล่าวก็มีขนาดเล็ก คับแคบ ไม่สามารถจัดทำแปลงวิจัยการเกษตรได้มากนัก 

            ต่อมาในปีเดียวกัน ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ตั้งสถานีวิจัยแห่งแรกของโครงการหลวงขึ้นที่ดอยอ่างขาง ตำบนม่อนปิน อำเภอฝาง จังหวัดเชียงใหม่ ซึ่งตั้งอยู่ในพื้นที่หุบเขาของดอยอ่างขาง พื้นที่ดังกล่าวมีอากาศหนาวเย็น มีสภาพเป็นพื้นที่ภูเขาโล่งเตียน เต็มไปด้วยหญ้าคา และมีการปลูกฝิ่นอยู่ทั่วไป งานวิจัยของโครงการหลวงจึงเริ่มขึ้นอย่างจริงจัง โดยได้รับพระราชทานพระราชทรัพย์ส่วนพระองค์ค่าใช้จ่ายสำหรับงานวิจัยต่างๆ โดยมีอาสาสมัครจากมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์และหน่วยงานต่างๆร่วมดำเนินงาน รวมถึงการสนับสนุนจากหนวยงานและมิตรประเทศต่างๆ

           ระยะเริ่มแรกของโครงการหลวง ระหว่างปี พ.ศ. 2512 ถึง พ.ศ. 2515  การวิจัยเน้นมุ่งหาชนิดและพันธุ์พืชเขตหนาวที่เหมาะสมกับพื้นที่สูงของประเทศไทย สามารถปลูกและสร้างรายได้ให้แก่เกษตรกรชาวเขา เพื่อทดแทนการปลูกฝิ่นและการทำไร่เลื่อนลอย มีอาจารย์และนักวิจัยจากหน่วยงานภายในประเทศเป็นอาสาสมัครร่วมดำเนินการ ได้แก่

•    ทบวงมหาวิทยาลัย ได้แก่ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ สถาบันเทคโนโลยีการเกษตรแม่โจ้  

•    กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ ได้แก่ กรมป่าไม้ กรมพัฒนาที่ดิน กรมวิชาการเกษตร กรมปศุสัตว์

•    รัฐวิสาหกิจ ได้แก่ สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์ประยุกต์แห่งประเทศไทย

•    นอกจากนี้ยังได้รับการช่วยเหลือจากสาธารณรัฐจีน (ไต้หวัน) สนับสนุนพันธุ์พืชเขตเมืองหนาวชนิดต่าง ๆ ได้แก่ แอบเปิล พลับ พลัม สาลี่ บ๋วย พืชผัก และอื่นๆ เพื่อทดลองปลูกที่สถานีเกษตรหลวงอ่างขาง และสถานีวิจัยดอยปุย  

        พ.ศ. 2516 ถึง พ.ศ. 2529 โครงการหลวงได้รับความช่วยเหลืองบประมาณจาก Agricultural Research Service (ARS) ซึ่งเป็นหน่วยงานของกระทรวงเกษตร สหรัฐอเมริกา (United State Department of Agriculture -USDA) โดยเน้นการสนับสนุนการวิจัยพืชทดแทนฝิ่น โดยเฉพาะงบประมาณสำหรับการวิจัยไม้ผลเขตหนาว การปลูกผักเขตหนาว ไม้ดอกเขตหนาว การปลูกกาแฟอาราบิก้า พืชตระกูลถั่วที่สำคัญได้แก่ถัวแดงหลวง การปลูกธัญญพืชเขตหนาว การปลูกดอกเก็กฮวย การเพาะเห็ด การแปรรูปผลผลิต และระบบการปลูกพืชหมุนเวียนบนพื้นที่สูง การให้การสนับสนุนงานวิจัยของ USDA/ARS ดังกล่าวอาศัยคณะกรรมการประสานงานวิจัยพืชบนพื้นที่สูง (Highland Agriculture Research Coordinating Committee - HARCC) ซึ่งมีหม่อมเจ้าภีศเดช รัชนี เป็นประธานในการคัดเลือกและบริหารติดตามงานวิจัยต่าง ๆ  โดยมีโครงการวิจัยรวมทั้งสิ้น 81 โครงการ งบประมาณงบประมาณรวม 6,356,216 เหรียญสหรัฐ ผลของงานวิจัยในระยะดังกล่าวนี้ ทำให้เกิดการนำพืชเขตหนาวชนิดต่าง ๆ สามารถปลูกได้ในประเทศไทยที่สำคัญได้แก่ พลับ พลัม สาลี พีช (ท้อ) บ๋วย กาแฟอราบิก้า ถั่วแดงหลวง สตรอเบอรี และผักเขตหนาวชนิดต่างๆ เป็นต้น มาก่อน นับว่าเป็นระยะที่โครงการหลวงได้สร้างผลงานวิจัยอย่างเต็มที่ จนเป็นรากฐานการปฏิบัติงานของโครงการหลวงและหน่วยงานต่างๆบนพื้นที่สูงในปัจจุบัน 
 

         พ.ศ. 2529 ถึง พ.ศ. 2535 เนื่องจากสหรัฐอเมริกาเห็นว่างานวิจัยที่ USDA/ARS ให้การสนับสนุนมาเป็นระยะเวลาพอสมควรและมีผลงานวิจัยต่าง ๆ สามารถนำไปเผยแพร่ให้กับเกษตรกรชาวเขาได้ จึงยุติการสนับสนุนงานวิจัย และให้การสนับสนุนงานพัฒนาชีวิตและความเป็นอยู่ของชาวเขาเพื่อทดแทนการปลูกฝิ่นแทน งานวิจัยจึงอาศัยงบประมาณจากพระราชทรัพย์ส่วนพระองค์เป็นหลัก ในช่วงเวลาดังกล่าวามีโครงการวิจัยจำนวน 32 โครงการ งบประมาณรวม 17,210,628 บาท เป็นการดำเนินงานวิจัยต่อเนื่องจากเดิม ในการหาชนิดและพันธุ์พืชที่เหมาะสมกับพื้นที่สูง การปรับปรุงการปฏิบัติรักษาเพื่อเพิ่มผลผลิตให้สูงขึ้น ทำให้การปลูกพืชผลเขตหนาวหลากหลายชนิด ทั้ง ผัก ไม้ดอก ไม้ผล พืชไร่ ชา กาแฟ ถัวแดงหลวง สตรอเบอรี และเห็ดเขตหนาวชนิดต่าง ๆ สามารถส่งเสริมสู่เกษตรกรชาวเขามาจนถึงทุกวันนี้

         อย่างไรก็ตาม พืชเขตหนาวต่างๆเหล่านี้ ยังมีความจำเป็นต้องอาศัยงานวิจัยอย่างต่อเนื่อง เพื่อการเพิ่มผลผลิตและคุณภาพให้ดีขึ้น โดยเฉพาะการปรับปรุงและคัดเลือกพันธุ์พืช เพื่อให้ได้พันธุ์ที่มีความเหมาะสมกับสภาพแวดล้อมบนพื้นที่ของประเทศไทย ให้ผลผลิตสูง มีคุณภาพเป็นที่ต้องการของตลาด การศึกษาด้านการป้องกันกำจัดโรคและแมลง การจัดการหลังการเก็บเกี่ยว การแปรรูปผลผลิต เพื่อให้การทำการเกษตรของเกษตกรบนพื้นที่มสูงมีความยั่งยืน ตลอดจนการศึกษาและประเมินสภาพพื้นที่การเกษตร สภาพสังคมและเศรษฐกิจของชาวไทยภูเขา รวมถึงการฟื้นฟทรัพยากรธรรมชาติและป่าต้นน้ำลำธาร

             เมื่อ พ.ศ. 2535 พระบาทสมเด็จพระบรมชนกาธิเบศร มหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้โครงการหลวงเปลี่ยนสถานภาพเมื่อปี พ.ศ. 2535  เพื่อให้เป็นองค์กรสาธารณประโยชน์ที่ถาวร และพระราชทานพระราชทรัพย์จำนวน 500,000 บาท เป็นทุนตั้งต้น และรัฐบาลได้ให้การสนับสนุนการดำเนินงานของมูลนิธิโครงการหลวงตั้งแต่ปีงบประมาณ พ.ศ. 2536 เป็นต้นมา การสานต่องานวิจัยต่าง ๆ ได้ดำเนินงานวิจัยอย่างต่อเนื่อง โดยใช้เงินงบประมาณของมูลนิธิฯ ได้มีการพัฒนาบุคคลากรที่มีคุณภาพและให้การสนับสนุนนักวิจัยใหม่ ๆ ให้สร้างสรรค์งานวิจัยที่มีประโยชน์ทั้งในแง่การพัฒนาระบบการเกษตรบนพื้นที่สูง และการปรับปรุงสภาพความเป็นอยู่ของชาวไทยภูเขา ขณะเดียวกันจะต้องมีการสร้างบุคลลากรที่เชี่ยวชาญด้านการถ่ายทอดเทคโนโลยี เพื่อทำหน้าที่นี้อย่างต่อเนื่อง

    ได้มีการจัดระบบการจัดการงานวิจัยให้มีความชัดเจนมากยิ่งขึ้น มีคณะอนุกรรมการวิจัย ซึ่งมีหน้าที่กลั่นกรองเรื่องต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการวิจัยของมูลนิธิ และพิจารณาโครงการวิจัยต่าง ๆ ตลอดจนติดตามผลการวิจัย มีการจัดแบ่งประเภทของหัวข้อวิจัยออกเป็นหมวดต่าง ๆ คือ หมวดไม้ผล นัทและพืชเครื่องดื่ม หมวดผัก พืชสมุนไพร และพืชไร่ หมวดไม้ดอกไม้ประดับ หมวดป่าไม้ หมวดอารักขาพืช หมวดวิทยาการหลังการเก็บเกี่ยว หมวดการแปรรูป หมวดการศึกษา สังคม และสาธารณสุข โดยจัดงบประมาณให้การสนับสนุนงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับโครงการหลวง 2 ลักษณะคือ

1. งานวิจัยที่ดำเนินงานโดยมูลนิธิโครงการหลวง รัฐบาลได้จัดสรรงบประมาณประเภทงบอุดหนุนให้แก่มูลนิธิโครงการหลวงเพื่อการดำเนินงานวิจัย งานวิจัยของมูลนิธิโครงการหลวงประกอบด้วย

     1) งานวิจัยประจำปี ตามงบประมาณประจำปี

     2) งานวิจัยเร่งด่วนเพื่อแก้ไขปัญหาการผลิตอย่างเร่งด่วนและเพื่อสนับสนุนนักวิจัยรุ่นใหม่ ลักษณะเป็นโครงการระยะสั้นและใช้งบประมาณแต่ละโครงการไม่มาก                 

     3) โครงการวิจัยกำหนดเรื่อง เป็นโครงการวิจัยเพื่อการพัฒนา มุ่งสร้างสิ่งที่จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในทางที่ดีขึ้นทั้งในระยะสั้นและระยะยาว ลักษณะเป็นชุดโครงการวิจัย

2. งานวิจัยที่ดำเนินงานโดยส่วนราชการและรัฐวิสาหกิจในการสนับสนุนงานของมูลนิธิฯ ซึ่งแต่เดิมรัฐบาลได้จัดสรรงบประมาณในชื่อ “งบประมาณงานพัฒนาเกษตรที่สูง” ให้แก่ส่วนราชการต่าง ๆ ตั้งแต่ปี 2536 เป็นต้นมา สำหรับดำเนินงานวิจัยในโครงการต่าง ๆ เพื่อช่วยงานโครงการหลวง แต่พบว่าผลงานกระจัดกระจายไม่สอดคล้องกันทำให้ได้ประโยชน์ไม่เต็มที่