前身為日治時期臺北帝國大學理農學部之「作物學講座」（磯永吉教授）、「育種學講座」（市島吉太郎、安田貞雄教授）及「工藝作物學講座」（澀谷常紀教授）。1946年，臺北帝國大學改制為國立臺灣大學，本系合併前述三個講座後正式命名為「農藝學系」。
初期的農藝學系主要分為作物與育種兩研究室。1946年增設生物統計研究室，1957年又成立種子研究室。研究所碩士班於1956年設立，博士班於1969年設立，完成現今農藝學系之基本架構。
臺大農藝學系是臺灣最早且最為重要的農藝教學及研究單位，對臺灣糧食作物之栽培技術與品種改良貢獻良多，並培育眾多優秀農業人才，奠定臺灣的農業生產基礎。學術成就方面，磯永吉教授致力於臺灣稻作改良，被譽為「蓬萊米之父」；汪厥明教授創立生物統計研究室，是為我國生物統計學的創始人；農業氣象學的蔣丙然教授亦是我國近代氣象學事業的開拓者。本系畢業生在各農業改良單位，致力於品種育種及栽培技術改進，穩定國家民生經濟發展。1990年代至今，農業朝永續性發展，本系致力於作物品質改進，研發生物技術、分子輔助育種、生物資訊、種原保育、種苗法規，發展永續、精準等栽培制度，使農業生產與生態結合。