В 1893 г. по проекту Ф. Л. Миллера возведено каменное двухэтажное здание с высоким стеклянным фонарем. Фасады выполнены в кирпиче с оштукатуренными поясами. Вход выделен порталом с двумя колоннами и лучковым фронтоном. Второй этаж с пилястрами и арочным окном завершен треугольным фронтоном. В нем разместился Отдел химии во главе с основоположником современного учения о кровяном пигменте профессором М. В. Ненцким. Здесь работали академики В. С. Гулевич и В. А. Энгельгардт.
В 1894 г. Ф. Л. Миллер возвел двухэтажное здание физиологического Отдела для опытов над животными. Гладкие оштукатуренные стены и прямоугольные окна с профилированными наличниками соответствовали функциональному характеру постройки. На втором этаже размещался террариум с земноводными, растениями. Здесь же были кабинеты ученых (с 1936 г. стал мемориальным кабинет И. П. Павлова). Внутри здания находилась операционная, в которой Павлов и его сотрудники оперировали собак, и специальная клиника для выхаживания оперированных животных.
В 1896 г. Миллер построил трехэтажное кирпичное здание Отдела общей патологии. В центральной части здания помещены окна с полуциркульными завершениями, наличниками и замковыми камнями.
Летом 1911 г. по проекту Г. И. Люцедарского началось строительство четырехэтажного здания научной библиотеки. Здание построено в стиле модерн со стилизацией мотивов романского и древнерусского зодчества. Книгохранилище спроектировано так, чтобы ряды полок освещались высокими узкими окнами. Портал из майолики выполнен по проекту В. А. Покровского в мастерской П. К. Ваулина. До этого он украшал вход в павильон России на Международной гигиенической выставке в Дрездене (1911 г.). 21 февраля 1913 г. библиотека переехала в новое здание. В настоящее время в ее хранилищах размещается более полумиллиона книг, среди которых коллекции уникальных изданий XVI–XVII вв., тибетские и китайские рукописи, письма Л. Пастера.
Слева от Отдела химии в 1912–1914 гг. по проекту архитектора А. А. Полещука построена специальная лаборатория физиологического отделения со звуконепроницаемыми камерами для изучения И. П. Павловым условных рефлексов животных. А. А. Полещук опирался на опыт постройки физиологических лабораторий в Утрехте и Гамбурге, сейсмической станции в Пулково. Стены сделаны из материала разной звукопроводимости (песка, гари и кирпича), на бетонные своды между балками положены слои войлока и опилок, залитых силикатным раствором. Ныне она известна как «башня молчания».
До 1917 г. институт назывался Императорским (ИИЭМ), с 1918 г. — Государственным (ГИЭМ), с октября 1932 г. — Всесоюзным (ВИЭМ). В 1934 г. его перевели в Москву, а в Ленинграде остался филиал. В 1944 г. на базе ВИЭМ создали Академию медицинских наук СССР, его Ленинградский филиал стал ИЭМ АМН СССР.
Первым директором института был врач кожно-венеролог Э.-Л. Ф. Шперк, затем патофизиолог С. М. Лукьянов (1894–1902 гг.), бактериолог С. Н. Виноградский (1902–1905 гг.), патофизиолог В. В. Подвысоцкий (1906–1913 гг.), гигиенист и микробиолог С. К. Дзержговский (1913–1917 гг.). В советское время его возглавляли А. А. Владимиров, Л. Н. Федоров, Н. Н. Никитин, Р. Э. Янсон, Д. Н. Насонов, Д. А. Бирюков, Н. П. Бехтерева, Б. И. Тищенко.
С 1897 г. институт стал базой Особой комиссии по предупреждению занесения в пределы России чумной заразы. В 1899 г. А. П. Ольденбургский получил разрешение использовать для «Особой лаборатории по заготовлению противочумных препаратов» форт «Император Александр I» около Кронштадта, который в институте прозвали «Чумной форт». Открытие лаборатории произошло в июле 1901 г.
С первых дней своей деятельности ИИЭМ завоевал международное признание. Престиж института был настолько высок, что все выходящие из его стен издания «не подлежали предварительной цензуре».
Начиная с 1920-х гг. ученые института участвовали в борьбе с инфекционными заболеваниями. В 1918–1931 гг. ГИЭМ расширил сферу научных исследований и стал ведущим учреждением страны в области теоретический биологии и медицины. В 1929–1939 гг. в его состав входила Биологическая станция в Колтушах, возглавляемая И. П. Павловым. В октябре 1931 г. для работы И. П. Павлова по изучению высшей нервной деятельности человека в институте создан отдел патофизиологии высшей нервной деятельности человека под руководством А. Д. Сперанского.
В годы Великой Отечественной войны многие сотрудники ушли на фронт. На территории института было развернуто два госпиталя.
С институтом экспериментальной медицины связаны имена ученых: биохимиков С. С. Салазкина и Б. И. Словцова, основоположников эволюционного направления в гистологии А. А. Заварзина и Н. Г. Хлопина, патоморфолога Н. Н. Аничкова, физиологов К. М. Быкова, П. С. Купалова, Л. А. Орбели, Д. Н. Насонова, микробиолога B. И. Иоффе.
В разное время в институте работали выдающиеся ученые: C. Н. Давиденков, Б. Л. Исаченко, А. А. Смородинцев, Г. М. Франк, В. Д. Цинзерлинг и многие другие.