Talim ve Terbiye Dairesi'nin Tanzimat dönemine kadar uzanan geçmişi vardır. Bu dönemde eğitim sisteminin ilk kapsamlı hukukî düzenlemesi 1869 yılında kabul edilen Maârif-i Umûmiye Nizamnamesi'dir. Nizamname, Maarif Nezareti'nin gözetimi altında ilmî ve idarî kısımlardan oluşan büyük bir maarif meclisinin (Meclis-i Kebîr-i Maârif) kurulmasını öngörmüştür. Bu meclisin temel görevi maarif için lazım gelen kitap ve benzeri kaynakları temin etmek, yazmak, tercüme etmek, başka ülkelerin eğitim tecrübelerini izlemek, Türkçe'yi korumak, telif ve tercüme eserleri incelemek, sınav ve ödül benzeri uygulamaların esaslarını belirlemek (MUN, md. 134) gibi sorumluluklar alarak belirtilmiştir.

23 Nisan 1920 tarihinde teşekkül eden Türkiye Büyük Millet Meclisi'nde  (TBMM) on bir İcra Vekilleri Heyeti'nden biri olan Maarif Vekâleti 2 Mayıs 1920'de ihdas edilmiştir. Bir sene sonra vekâlet merkez teşkilatı birimleri arasında yer alan ve çalışmalarını 1926'ya kadar sürdüren, ilk adı "Program Heyeti" olan "Telif ve Tercüme Heyeti" Cumhuriyet dönemi eğitim tarihçilerine göre Talim ve Terbiye Dairesi'nin öncü yapısı sayılmıştır. 15 Temmuz 1921 tarihinde toplanan Maarif Kongresi ve 1921-1926 yılları arasında üç defa yapılan Hey'et-i İlmiye toplantıları da Talim ve Terbiye Dairesi'nin temelleri arasında görülmektedir.

3 Nisan 1926 tarihi ve 789 sayılı Maarif Teşkilatına Dair Kanun gereğince "Millî Talim ve Terbiye Dairesi" kurulmuştur. Mustafa Kemal Paşa, 1 Kasım 1926'da Türkiye Büyük Millet Meclisi konuşmasında, "memlekette talim ve tedris esaslarını, ilmî ve müstakil bir merkezden sevk ve idare maksadıyla Talim ve Terbiye Dairesi'nin kurulduğunu" ifade ederek, bu birimin "ilmî ve bağımsız" olması yönüne dikkat çekmiştir. Hıfzırrahman Raşit Öymen'e göre, "Eğitim reformları bu dairenin görevinin temeli olmuştur" (Özalp-Ataünal, 1977: XII). 1926 yılından günümüze Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın  (TTKB)'nın teşkilat yapısında çok sayıda değişim olmuştur.

1933 tarihli 2287 sayılı Maarif Vekâleti Merkez Teşkilatı ve Vazifeleri Hakkında Kanun'a göre Talim ve Terbiye Heyeti'nin "ilmî müşavere heyeti" vasfına sahip olduğu tekrarlanmıştır (md. 9). Kuruluş sırasında Talim ve Terbiye Dairesi'nde bir başkan (reis), on kurul üyesi (aza) bulunmaktadır. Daire ve şube müdürlükleri birimlere ayrılmıştır. 1946 yılında kadro dağılımı, kurul başkanı, altı kurul üyesi, dört raportör, üç mütercim, bir muamelat müdürü, iki mümeyyiz, yedi memurdan oluşacak şekilde yeniden düzenlenmiş, şube müdürlükleri "büro" haline dönüştürülmüş ve raportörlük birimi oluşturulmuştur. 1946'da dairenin, başkanın, üyelerin ve bazı alt birimlerin adı değiştirilmiş, reis başkana, aza üyeye, "maarif şûrası", "eğitim şûrası"na dönüştürülmüştür. 1966'da Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nda görevlendirilecek kişilerde aranacak özellikler ve görev tanımları bir yönetmelikte güncellenmiştir.

1950-1960 yılları arasında kurulan altı farklı Demokrat Parti hükümeti ve on Millî Eğitim bakanı sürecinde Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı başkan ve üyeleri değiştirilmemiştir. 1981'de yapılan değişiklikle Talim ve Terbiye Dairesi'nin adı Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'na dönüştürülmüştür. 1960-1980 yılları arası ülkenin siyasî ve toplumsal yapısı hayli çalkantılı olmasına ve Millî Eğitim Bakanlığı'nda nerede ise her sene bakan değişmesine ve istikrarsızlığa karşın Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın göreli olarak daha istikrarlı olduğu söylenebilir.

1980'de Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın görevlerini daha verimli ve etkili bir şekilde yerine getirmesine imkân sunmak amacıyla yapılan düzenlemeler sonucunda her üyenin bir disiplini temsil etmesine imkân tanıyacak şekilde kurul toplam on dört üyeden oluşmuştur. Bu üyelerden biri başkan yardımcısı, bir diğeri de şûra sekreteri olarak vazifelendirilmiştir. Bu düzenlemelerle aynı zamanda Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın işleyiş sistemi hakkında hizmetlerin "eğitim ve öğretim", "belge ve denklik" ve "idarî" olarak üç bölümde toplanması gibi birçok yeniliğe gidilmiştir. 1981 yılında hazırlanan Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı Görev ve Sorumluluk Yönergesi ile üye ve başkan yardımcısı, başkanlığın bütün görevlerinin yürütülmesinde yetkili hale getirilmiş ve başkanlığa bağlı kurulan daire başkanlıkları, üye başkan yardımcısına bağlanmıştır. 1992'de kabul edilen ve 21226 ve 3797 sayılı Millî Eğitim Bakanlığı'nın Teşkilat ve Görevleri Hakkında Kanun ile Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı doğrudan bakana bağlı bir kurum haline getirilmiştir. Birimdeki daire başkanlığı sayısı da dörtten altıya çıkarılmıştır.

2022 yılı itibariyle Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı, başkanlık ve Talim ve Terbiye Kurulu alt birimlerinden oluşmaktadır. Talim ve Terbiye Kurulu bütün eğitim kademelerini temsil edecek nitelikte bir başkan ve on üyeden meydana gelmiştir. Kurul başkanı ve üyeleri, 2018'e kadar, gerekli yetkinlikleri sağlayan kişiler arasından bakanlığın teklifi ile bakan, başbakan ve cumhurbaşkanının kararnamesiyle atanırken, 2018'de Cumhurbaşkanlığı Hükümet Sistemi'ne geçilmesiyle uygulama değişmiştir. 1 nolu Cumhurbaşkanlığı Kararnamesi'ne göre Talim ve Terbiye Kurulu başkan ve üyelerini atama görevi cumhurbaşkanına verilmiştir.

Kurul başkanı ve üyeleri olarak atanacaklarda aranan belirli nitelikler, "dört yıllık yükseköğretimden mezun olmaları, akademisyen olanların eğitim alanında mümtaz çalışmalar yapması, en az on yıl süreyle öğretmenlik veya okul yöneticiliği yapmış kamu görevlisi olması" şeklinde belirlenmiştir. Başkan, en üst âmirdir ve başkanlık faaliyetlerinden ve emri altında çalışanların faaliyet ve işlemlerinden bakana karşı sorumludur. Bunun dışında Talim ve Terbiye Kurulu başkanının ve üyelerinin yönetmelikle belirlenmiş görevleri ve sorumlulukları vardır.

Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı teşkilatının hiyerarşik bir yapısı vardır. Kurul başkanına üyeler arasından seçilen iki başkan yardımcısı eşlik eder. Teşkilatı içinde, Ders Kitapları ve Öğretim Materyalleri Daire Başkanlığı, Eğitim Politikaları Daire Başkanlığı, Elektronik Eğitim İçerikleri Daire Başkanlığı, İdari ve Mali İşler Daire Başkanlığı, İzleme ve Değerlendirme Daire Başkanlığı, Kurul ve Şûra İşleri Daire Başkanlığı, Öğretim Programları Daire Başkanlığı adında yedi daire başkanlığı vardır. Daire başkanlıklarında Millî Eğitim uzmanları, Millî Eğitim uzman yardımcıları, şube müdürleri, kurul uzmanları, eğitim uzmanları, şefler, öğretmenler, bilgisayar işletmenleri, veri hazırlama ve kontrol işletmenleri ve memurlar görevlidir.

Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın görev ve sorumluluklarının belirlendiği, 652 sayılı Millî Eğitim Bakanlığı'nın Teşkilat ve Görevleri Hakkında Kanun Hükmünde Kararname'nin 28. maddesine (Resmî Gazete, 2011, sy. 28054) göre kurul, "Millî Eğitim Bakanlığı'nın bilimsel danışma ve karar organıdır ve eğitim sistemini geliştirmek ve niteliğini arttırmak amacıyla birtakım görevleri yürütür", Millî Eğitim Bakanlığı, Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı Yönetmeliği ile (Resmî Gazete, 2012, sy. 28409) görevler ve sorumluluklar ayrıntılandırılmıştır. Millî Eğitim Bakanlığı'nın diğer genel müdürlükleri ile iş birliği içerisinde çalışması "evrensel değerleri ve standartları göz önünde bulundurarak, kalite, eşitlik ve etkililik ilkeleri ile millî ve toplumsal değerlere dayalı bir eğitim sistemi" oluşturmayı hedeflemesi istenmiştir.

Kurul kararları bakan onayından geçtikten sonra bakanlığın resmî yayın organı Tebliğler Dergisi'nde yayımlanır. Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın önemli sorumluluk alanlarından biri Millî Eğitim şûralarını düzenlemektir. Başlangıçtan 2021 yılına kadar yirmi eğitim şûrası yapılmıştır (bk. Eğitim Şûraları).

2012 tarihli Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı Yönetmeliği'ne göre "eğitim sistemi, eğitim ve öğretim plan ve programları, ders kitapları ve eğitim araç gereçleriyle ilgili araştırma yapmak veya yaptırmak" (Resmî Gazete, 2012, sy. 28409) kurumun her dairesinden beklenilen hizmetlerinden biridir. Bu hizmetin verilebilmesi için ihtisas komisyonları oluşturulur. Bu komisyonlarda "Başkanlık ve bakanlığın diğer birimlerindeki konuyla ilgili uzmanlar, öğretmenler, üniversite öğretim elemanları, diğer kamu kurum ve kuruluşları ile sivil toplum ve meslek kuruluşlarında görevli uzmanlar arasından başkanlık tarafından görevlendirilenlerden oluşur" hükümleri getirilmiştir.

2014 yılında yapılan değişiklik, Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın yapısında dönüşümler getirmiştir. 6528 sayılı kanun ile başkanlığın 1926'dan beri var olan "bilimsel danışma ve karar organı" olma görevi "bilimsel danışma ve inceleme organı"na dönüştürülmüştür. Bunun yanında, bazı maddelerde geçen "uygulamaya ilişkin kararlarını bakan onayına sunmak" ve "nihaî şeklini vererek bakan onayına sunmak" ibareleri "sonucu bakana sunmak" haline çevrilmiştir. Bu değişiklikler 2018 yılındaki Cumhurbaşkanlığı Kararnamesi'nde de devam etmiştir. Böylelikle Millî Eğitim Bakanlığı'nın düzenleme, organize etme, bağımsız bilimsel inceleme, danışma ve karar verme organı Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı, 2014'te yapılan düzenlemelerden sonra büyük ölçüde bakanlığın bilimsel danışma ve inceleme organı haline gelmiş merkezî hizmet birimidir.

Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı eğitim politikalarına yön vermek hedefiyle birçok araştırma yürütmüş ve yürütmeye devam etmektedir. Bu araştırmalar ulusal ve uluslararası düzeydedir. 2021'in son çeyreğinde ve 2022 yılı başlarında başkanlık araştırma projelerinin daha sistemli ilerleyebilmesi için Eğitim Politikaları Daire Başkanlığı altında Türkçe ve Dil Eğitimi Araştırma ve Geliştirme Merkezi (TDE-ARGEM) ve Çocuk Hakları Araştırma ve Geliştirme Merkezi (ÇH-ARGEM) olmak üzere iki araştırma ve geliştirme merkezi kurulmuştur. Türkçe ve Dil Eğitimi Araştırma ve Geliştirme Merkezi'nin amacı Türkçe ve dil eğitim öğretimini güçlendirmek, Çocuk Hakları Araştırma ve Geliştirme Merkezi'nin ise eğitim sistemi içerisinde çocuk haklarının desteklenmesi ve korunması için araştırma projeleri yürütmektir. Araştırma merkezleri ile eğitim araştırmaları kısa ölçekli araştırmaların yanında uzamsal araştırmaların oluşumunda ve sürdürülmesinde önem arzetmektedir.

Başlangıçtan bugüne (1926-2023) Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nda yirmi altı kişi başkanlık yapmıştır. İlk başkanı dönemin önde gelen eğitimci, felsefeci ve bürokratlarından Mustafa Necati'nin atadığı Mehmet Emin Erişirgil'dir. Başkanlığın ilk yönetmeliği ve Türk millî eğitim sisteminin felsefî ve ideolojik yapısına dair birçok karar bu dönemde alınmıştır. Ondan sonra eserleri ve icraatlarıyla Türk eğitim tarihinin önde gelen isimlerinden M. İhsan Sungu 1930-1939 yılları arasında Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın başkanlığını yürütmüştür. 1940'tan 1962'ye kadar, çok farklı siyasî ve kültürel değişim ve dönüşüm yaşantıları içinde, aralıksız yirmi iki sene başkanlık yapan Kadri Yörükoğlu, Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı tarihinin en uzun süreli başkanı olması yanında, hayatı ve aldığı kararlarıyla kurumun önde gelen yöneticilerinden biri olmuştur. Kurulun tek kadın başkanı 1984-1985'te bir buçuk yıl kadar görev yapan Ülkü Bilgen'dir. Doğrudan cumhurbaşkanı kararıyla atanan (2021) ilk başkanı Cihad Demirli'dir.

Millî Eğitim Bakanlığı'nın önemli organlarından biri olmasına karşın Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın tarihi, felsefesi, aldığı kararların devlet, toplum ve eğitim sistemine etkisi, çalışma şartları, başka ülkelerle karşılaştırılması, kurul başkanlarının ve üyelerinin biyografileri vb. yönlerden yeterli ve yetkin çalışmalara konu olduğu söylenemez. Üzerine yapılan çalışmaların kahir ekseriyeti kurumun kanun ve yönetmelikleri, kurulun aldığı kararlar listesi ve başkan ve kurul üyelerinin kısa biyografilerinden müteşekkil albümlerden ibarettir. Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın 1926-1929 yılları arası kararlar listesi müstakil olarak yayımlanmıştır. Kurul kararlarında "azınlık ve yabancı okullar, öğretmen yetiştirme, teftiş ve denetim" temalı çalışmalar da yapılmıştır. Bu çalışmalar tahlilden ve tenkitten ziyade kurul kararlarının ve yönetmeliklerin tedvininden ibarettir. Abdülkadir Yılmaz'ın Nereden Nereye (2021) başlıklı çalışması, Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığı'nın 1926 yılından 2020'ye kadar yetki ve sorumluluklarındaki değişimi, özellikle de statü ve yetki/etki kısıtlamalarını ana hatlarıyla anlatmıştır. Kurul kararlarının yer aldığı Tebliğler Dergisi kronolojik halde yayımlanmaya devam etmektedir.