Барсакельмесский государственный природный заповедник был организован 10 декабря  1939 года Постановлением Совета Народных Комиссаров Казахской ССР №973, в границах  острова Барсакельмес, который в то время находился почти в центральной части Аральского моря.

В 2005 г. было принято постановление  Правительства РК №1162 от 25 ноября 2005 года о расширении его территории и, площадь увеличилась почти в 10 раз, до 160 826 га.

Постановлением Правительства Республики Казахстан №484 от 29.07.2020 года к Барсакельмесскому государственному природному заповеднику был присоединен участок «Дельта» (2300 га), расположенный на месте впадения реки Сырдария в Малое Аральское море. Дельта реки Сырдарья по значимости занимает четвертое место среди водно-болотных угодий Казахстана и уникальна своим биоразнообразием. В 2012 году Малое Аральское море и дельта реки Сырдарья вошли в список водно-болотных угодий мирового значения, охраняемых международной Рамсарской конвенцией.

На данном этапе  территория  заповедника составляет 163 126 га и включает  3   кластерных участка.  Заповедная зона -163126 га, охранная зона  – 52 160,54 га.

19 марта 2016 года решением 28-й сессии Международного координационного совета программы ЮНЕСКО "Человек и биосфера" Барсакельмесский Биосферный Резерват, созданный на основе государственного природного заповедника Барсакельмес, был включен в Мировую сеть биосферных резерватов ЮНЕСКО.