A origem da Embrapa Clima Temperado remonta ao ano de 1938, com a criação da Estação Experimental de Viticultura, Enologia e Frutas de Clima Temperado, localizada no Distrito da Cascata, em Pelotas. Em 1943, é criado pelo Ministério da Agricultura o Instituto Agronômico do Sul (IAS), com jurisdição sobre os três Estados do Sul do País e com sede em Pelotas, onde passou a existir uma Estação Experimental. Em 1962, o IAS foi transformado em Instituto de Pesquisa e Experimentação Agropecuárias do Sul (Ipeas). A esta altura, já havia programas de melhoramento genético nas culturas do arroz irrigado e pessegueiro. Com a criação da Embrapa, em 1973, foram geradas duas Unidades Experimentais de Pesquisa de Âmbito Estadual (UEPAE) na região, denominadas Cascata e Pelotas.
Estas unidades foram posteriormente transformadas e ampliado o âmbito de suas missões: a UEPAE Cascata transformou-se, em 1983, em Centro Nacional de Pesquisa de Fruteiras de Clima Temperado (CNPFT), tendo nova sede e campos experimentais inaugurados em 1984, no Distrito de Monte Bonito, em Pelotas. A UEPAE Pelotas deu origem, em 1985, ao Centro de Pesquisa Agropecuária de Terras Baixas de Clima Temperado (CPATB). Em 1993, é criada a Embrapa Clima Temperado, resultado da fusão do CNPFT com o CPATB, unidades que tinham suas sedes situadas há apenas 20 km uma da outra. O mandato passou a abranger os Estados do RS, SC e parte do PR. Em 2004, a unidade constrói pela primeira vez de forma coletiva seu PDU, válido até 2007. São ampliados os esforços de pesquisa e desenvolvimento voltados para grupos historicamente excluídos, incluindo os contingentes da agricultura familiar, assentados da reforma agrária, populações indígenas e quilombolas.