A pesquisa agropecuária da Embrapa teve início na região em 1938, com a criação da Estação Experimental de Viticultura, Enologia e Frutas de Clima Temperado, no Distrito da Cascata, em Pelotas. Após, em 1943, surge o Instituto Agronômico do Sul (IAS), criado pelo Ministério da Agricultura, com abrangência sobre os três estados do Sul, também com sede em Pelotas. Em 1962, o IAS foi transformado em Instituto de Pesquisa e Experimentação Agropecuária do Sul (IPEAS). 

Com a criação da Embrapa, em 1973, essas estruturas dão origem a duas Unidades Experimentais de Pesquisa de âmbito Estadual (Uepae), denominadas Cascata e Pelotas. Posteriormente, essas estruturas são novamente transformadas e têm suas missões ampliadas: em 1983, a Uepae Cascata dá origem ao Centro Nacional de Pesquisa de Fruteiras de Clima Temperado (CNPFT) e a Uepae Pelotas dá origem, em 1985, ao Centro de Pesquisa Agropecuária de Terras Baixas de Clima Temperado (CPATB). 

A Embrapa Clima Temperado é resultado da fusão, em 1993, do CNPFT com o CPATB, marcada pela criação da sede da Unidade, no km 78 da BR-392. Nesse período, a Uepae Cascata é transformada em Estação Experimental Cascata (EEC), posteriormente assumindo protagonismo nas pesquisas com sistemas de produção de base ecológica e com foco nos públicos da agricultura familiar; e a Uepae Pelotas se torna Estação Experimental Terras Baixas (ETB), voltando seus esforços às pesquisas com grãos, forrageiras e pecuária leiteira, visando a integração Lavoura-Pecuária (ILP).

Mais recentemente, em 2019, a Embrapa Clima Temperado ainda incorporou a Estação Experimental Canoinhas (EECAN), situada em Santa Catarina, que passou a atuar como hub de transferência de tecnologias (TT) e inovação na região. Por fim, em 2016, também passou a integrar uma Unidade Mista de Pesquisa e Transferência de Tecnologia (UMIPTT) em Francisco Beltrão (PR), junto à Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) e ao Instituto Agronômico do Paraná (Iapar).