Организована в 1896 году в числе первых четырёх государственных сельскохозяйственных опытных станций на базе образцового имения просвещённых помещиков Шатиловых в с. Моховое Новосильского уезда Тульской губернии (в 1925 г. эта территория вошла в состав Орловской области). Именно в поместье Шатиловых применялись и разрабатывались передовые приёмы земледелия, здесь зародилось почвозащитное лесоразведение. Своё официальное название станция получила при её основании в честь Иосифа Николаевича Шатилова – крупного сельскохозяйственного и общественного деятеля, президента Московского общества сельского хозяйства. Первые три года станцией заведовал Глеб Филиппович Нефёдов.
Исторический научный вклад Шатиловской станции связан с именами выдающихся учёных своего времени В.В. Винера, А.Н. Лебедянцева, П.И. Лисицына. Каждый из них оставил неизгладимый след в становлении, развитии научной деятельности, материально-технической базы, социальной инфраструктуры станции.
В.В. Винер (руководил станцией с 1899 по 1906 гг.) разработал первую программу опытной работы по определению потребности растений в основных элементах питания, изучению севооборотов, обработки почвы и разработки приёмов возделывания 18 полевых культур.
А.Н. Лебедянцев возглавлял Шатиловку 20 лет (1906-1926). В это время фактически определилось лицо станции и расцвет её научной деятельности. Выдающимся вкладом А.Н. Лебедянцева в агрономическую науку, развитие отечественной агрохимии являются его многолетние классические опыты по динамике плодородия выщелоченных чернозёмов, работы в области изучения биологии отдельных растений, особенно гречихи.
По своему научно-методическому уровню, точности и глубине исследования Шатиловской станции ставились в ряд с Ротамстедской станцией, старейшим научным учреждением Англии.
А.Н. Лебедянцев оставил для российской агрономи­ческой науки богатейшее научное и литературное наследие. Многолетний стационарный опыт А.Н. Лебедянцева сохранился на опытной станции до настоящего времени, на нём установлен мемориальный памятный знак.
Мировую известность Шатиловская опытная станция приобрела в результате значительных достижений в селекции растений, разработке и осуществлении классических работ по организации государственной системы семеноводства в России. Организатором и непосредственным исполнителем этих работ был Пётр Иванович Лисицын.
За двадцать лет работы на станции (1908-1929) (директором с 1926 по 1929 гг.) П.И. Лисицын создал сорта основных сельскохозяйственных культур – ржи, овса, вики, клевера, люцерны, конопли, льна, гречихи, которые долгое время не имели конкурентов. Так, рожь Лисицына сохранялась в районировании 43 года, гречиха Богатырь, районированная с 1938 и клевер Среднерусский (с 1931 г.) внесены в Госреестр РФ до настоящего времени.
Разработанный П.И. Лисицыным проект Положения "Шатиловской Госсемкультуры", утверждённый Декретом в 1922 году, был положен в основу Общероссийской системы семеноводства сельскохозяйственных культур.
За выдающиеся работы в области селекции и семеноводства П.И. Лисицыну в 1929 г. было присвоено звание Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, а в 1935 г. он был избран действительным членом (академиком) ВАСХНИЛ, в 1948 г. ему была присуждена Государственная премия за разработку научных основ селекции клевера, начатую на Шатиловской опытной станции.