Pierwsze działania mające na celu zgromadzenie dorobku polskiej kinematografii rozpoczęły się tuż po drugiej wojnie światowej – już w 1947 roku Jerzy Toeplitz starał się zebrać ocalałe kopie filmowe. Ten pierwszy zbiór został zarejestrowany w Międzynarodowej Federacji Archiwów Filmowych (FIAF). Archiwum Filmowe zostało oficjalnie utworzone w Warszawie w 1955. W tym okresie Archiwum koncentrowało się na poszukiwaniu i zdobywaniu polskich filmów przedwojennych – rozproszonych poza granicami kraju, zagubionych w Polsce. Do kolekcji trafiały także powojenne filmy europejskie od krajów-członków Federacji Archiwów Filmowych.
W następnych dekadach kolejnym zadaniem Archiwum stała się popularyzacja kinematografii polskiej i zagranicznej – Archiwum organizowało w kinie Iluzjon i kinie Kultura przeglądy i pokazy filmowe. Do Archiwum trafiały filmy zatrzymywane przez cenzurę, które nie mogły być szeroko dystrybuowane. „Półkowniki” – kolokwialne polskie określenie na filmy zalegające na półkach, które ma w swoich zbiorach Filmoteka Narodowa, to m.in. „Przy torach kolejowych” (Andrzej Brzozowski, 1966), „Długa noc” (Janusz Nasfeter, 1967), „Ręce do góry” (Jerzy Skolimowski, 1967). Filmy niedopuszczone do publicznego obiegu były przechowywane w archiwum Filmoteki i nie było możliwości ich obejrzenia poza pokazami zamkniętymi, dostępnymi jedynie dla partyjnych oficjeli, aż do lat dziewięćdziesiątych.
Stabilna sytuacja polskiej kinematografii, funkcjonującej w warunkach cenzury, ale otrzymującej uwagę decydentów, zaczyna zmieniać się po 1989 roku. Przemysł filmowy, podobnie jak inne sektory kultury, został skonfrontowany z napływem zachodnich produkcji, zaczęły pojawiać się nowe, prywatne studia filmowe. Do Filmoteki Narodowej (nazwa ostatecznie nadana w 1987 roku) zaczęły napływać wtedy kolekcje likwidowanych studiów filmowych takich jak Zodiak, Dom i Profil, Studio Małych Form Filmowych „Se-Ma-For” czy Studio Filmów Animowanych w Krakowie oraz wytwórni filmowych w Łodzi i Wrocławiu. W 2006 roku Filmoteka Narodowa zawarła porozumienie z Wytwórnią Filmów Dokumentalnych i Fabularnych, przejmując pod swój zarząd całe archiwum produkcyjne Wytwórni, które dwa lata później utworzyło „Archiwum Chełmska”.
Do Filmoteki napływały nowe produkcje filmowe z różnych źródeł, instytucja nie dysponowała jednak wystarczającą infrastrukturą do ich przechowywania. Z tego powodu w 2000 roku na Kongresie Kultury Polskiej uznano Filmotekę Narodową za instytucję najbardziej zagrożoną utratą już posiadanych zbiorów. W latach dwutysięcznych Filmoteka zintensyfikowała działania digitalizacyjne i archiwizacyjne. Od 2008 roku trwały prace nad serwisami internetowymi takimi jak „FOTOTEKA – wirtualny album historii filmu polskiego” (www.fototeka.fn.org.pl ) czy „Repozytorium Cyfrowe” (www.repozytorium.fn.org.pl), GAPLA – galeria plakatu filmowego”, www.gapla.fn.org.pl. W tym samym roku rozpoczynają się prace nad Centralnym Katalogiem Filmoteki Narodowej – w listopadzie 2017 roku obejmował on już 75% zbiorów Filmoteki, jednak nie był dostępny dla użytkowników. Od 2013 trwała digitalizacja kolekcji magnetycznych materiałów dźwiękowych do polskich filmów fabularnych z lat 1950–1970.
Filmoteka prowadzi także programy edukacyjne: Filmoteka Szkolna, Akademia Polskiego Filmu, Skrytykuj.pl oraz organizuje Olimpiadę Wiedzy o Filmie i Komunikacji Społecznej.
W czerwcu 2017 roku w wyniku połączenia Filmoteki Narodowej i Narodowego Instytutu Audiowizualnego powstała nowa instytucja kultury: FINA. Ma ona zajmować się archiwizacją i promocją polskiej kultury audiowizualnej.
