美国能源部国家实验室与技术中心是指在美国能源部监管之下的一系列研究设施和实验室系统，目的是促进科学的研究和技术的进步，进而推动完成美国能源部的使命。截至2017年，美国能源部下属的实验室与研究设施一共是十七处，其中有十处下属科学办公室（英语：Office of Science），三处由美国国家核安全管理局（英语：National Nuclear Security Administration）（NNSA）管理。大部分的国家实验室采取“美国联邦政府所有、由政府委托的机构运营（Government-owned，Contractor-operated，GOCO）”的方式管理，也有部分采用“政府所有、由政府运营（Government-owned，Government-operated，GOGO）”的方式。国家实验室系统为美国提供了战略性的科技实力；实验室执行的往往是长期的，具有挑战性的科研任务，发展的跨领域科学研究超越了普通学术机构以及工业研究机构的研究范围，使得美国国内的其他科研工作者获益匪浅。
建立一个集中的国家实验室系统的想法缘于第二次世界大战中科学的迅猛发展。战争中发明的雷达、计算机、近炸引信和原子弹等新技术，在日后被认为是同盟国取得胜利的决定性因素。虽然美国政府于一战伊始便已对科学研究进行了投资，但直到1930年代末期，美国才开始投入了巨量资源用于解决战时的科学问题。1940年，政府建立了国家防御研究委员会（英语：National Defense Research Committee）以管理和支持战时的科学研究。之后，麻省理工的工程师万尼瓦尔·布什领导的科学研究与发展办公室（英语：Office of Scientific Research and Development）取代了国家防御研究委员会的职责，在战时被给予了资金和资源的无限使用权。集中化的研究中心——例如麻省理工的放射实验室（英语：Radiation Laboratory (MIT)）和伯克利加州大学的劳伦斯实验室，让大量科学家有机会以前所未有的方式相互合作，并且近乎无限地使用着政府的资源以攻克科研难关。
1942年，随着曼哈顿计划的开始实施，这个最终制造出人类历史上第一个核武器的军事工程派生出了一系列以研究炸弹和发展军用材料为目标的秘密科研地点。这些地点包括：位于新墨西哥州山区的洛斯阿拉莫斯实验室（由罗伯特·奥本海默一手主导）、汉福德区和橡树岭。汉福德和橡树岭的研究所是由私有企业运营的，而洛斯阿拉莫斯实验室由一所公立学校（加州大学）运营。这种由政府出资，私有企业或研究型大学承担科研任务的经营方式，在美国国内的其他地方也大获成功，例如芝加哥大学的核反应堆研究——各项研究的成功最后促成了阿贡国家实验室的建立。
战后，美国原子能委员会接管了这些战时临时建立的实验室，并将它们转为永久的实验室，即国家实验室。各个国家实验室都从政府获得了资金和基础设施的保障，能够进行特定领域或是基础科学的研究，特别是物理学方面的研究。实验室一般都与一个或者多个大型科研设施（例如粒子加速器或核反应堆）相邻。
美国的国家实验室系统是世界上最大的科研系统之一。大部分的国家实验室里有常驻的工作人员和科学家，允许外来的访问学者莅临实验室进行科学上的交流，或借用实验室的设备和仪器进行科学研究。集中的资金和智力资源使得美国的这些国家实验室成为了大科学研究的典范。
不同的实验室之间既有竞争也有合作。一般来说，具有相同研究方向的两个实验室（例如劳伦斯利福摩尔实验室与洛斯阿拉莫斯实验室）相互有资金上的竞争关系，而研究领域不同的两个实验室往往会相互合作（例如劳伦斯利福摩尔实验室与劳伦斯伯克利实验室的合作，而后者常常与布鲁克黑文实验室具有竞争关系）。
美国能源部在国家实验室投入的资金占美国国内对物理、化学、材料科学以及物理科学的其他领域研究的总投资的40%以上。一些国家实验室是由私营企业管理的，也有由研究型大学运营的实验室。美国国家实验室在军事、学术、产业所构成的“铁三角”中扮演着极为重要且影响深远的角色。
截至2017年，美国能源部一共有十七个下属实验室：
* 政府所有、由承包机构运营（Government-owned, Contractor-operated，GOCO）
** 政府所有、由政府运营（Government-owned, Government-operated，GOGO）
