สำนักทะเบียนและวัดผล เป็นหน่วยงานหนึ่งที่จัดตั้งขึ้นมาพร้อมกับสำนักงานอธิการบดี สำนักวิชาการ สำนักบริการการศึกษา และสำนักเทคโนโลยีการศึกษา ตามพระราชกฤษฎีกาการจัดตั้งสำนัก เมื่อวันที่ 12 มีนาคม 2522 หลังจากที่มีการจัดตั้งสำนักแล้ว มหาวิทยาลัยได้แต่งตั้งผู้อำนวยการสำนัก และมีข้าราชการในสำนัก 1 คน ในระยะแรกเริ่มของการก่อตั้งมหาวิทยาลัยนั้น ยังไม่มีอาคารที่ทำการเป็นของตนเอง มหาวิทยาลัยจึงขอความร่วมมือเพื่อขอใช้สถานที่ของบริษัทเดินอากาศไทย ถนนหลานหลวง กรุงเทพมหานคร เป็นที่ทำการชั่วคราว

พ.ศ. 2523 มหาวิทยาลัยได้จัดสอบแข่งขันและแต่งตั้งข้าราชการตามอัตรากำลังที่ได้รับขณะนั้น จึงทำให้สำนักทะเบียนและวัดผลมีข้าราชการเพิ่มขึ้น 10 คน ประมาณกลาง พ.ศ. 2523 เป็นช่วงที่มหาวิทยาลัยเตรียมการรับสมัครนักศึกษาเป็นปีแรก จึงต้องเตรียมพื้นที่ บุคลากร และวัสดุอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการรองรับงาน จึงทำให้บริษัท เดินอากาศไทย ไม่เพียงพอต่อการปฏิบัติงาน มหาวิทยาลัยจึงได้ขอใช้พื้นที่ ชั้น 12 ของอาคารทบวงมหาวิทยาลัยเป็นที่ทำการของสำนักทะเบียนและวัดผล ในปีนั้นมหาวิทยาลัยได้เปิดรับนักศึกษาเป็นครั้งแรก จำนวน 2 สาขาวิชา คือ ศึกษาศาสตร์ และสาขาวิชาวิทยาการจัดการ

พ.ศ. 2524 มหาวิทยาลัยมีกิจกรรมเพิ่มมากขึ้น คือ การจัดสอบและการจัดเตรียมต้นฉบับแบบทดสอบ ตลอดจนการเตรียมรับสมัครนักศึกษาใหม่ จึงทำให้พื้นที่ชั้น 12 ของอาคารทบวงมหาวิทยาลัยไม่เพียงพอแก่การปฏิบัติงาน มหาวิทยาลัยจึงได้เช่าอาคารเปอร์กิ้น ซึ่งตั้งอยู่ ณ ถนนเพชรบุรีตัดใหม่ กรุงเทพมหานคร เป็นที่ทำการและเรียกสั้นๆ ว่า “มสธ.2”

พ.ศ. 2528 สำนักทะเบียนและวัดผล ย้ายมาอยู่ที่ทำการของมหาวิทยาลัยสุโขทัยธรรมาธิราช ตำบลบางพูด อำเภอปากเกร็ด จังหวัดนนทบุรี ซึ่งเป็นที่ทำการถาวรของมหาวิทยาลัยสุโขทัยธรรมาธิราชในปัจจุบัน

ในระยะแรกโครงสร้างส่วนราชการของสำนักทะเบียนและวัดผลอย่างเป็นทางการ ตามประกาศทบวงมหาวิทยาลัยลงวันที่ 22 มีนาคม 2522 ประกอบด้วย 5 หน่วยงาน คือ สำนักงานเลขานุการ ฝ่ายรับนักศึกษา ฝ่ายทะเบียนนักศึกษา และศูนย์วิจัยและพัฒนาแบบทดสอบ และต่อมาในปี พ.ศ. 2536 จึงได้จัดตั้งฝ่ายทะเบียนและวัดผลบัณฑิตศึกษา เป็นส่วนราชการภายในสำนักอย่างไม่เป็นทางการ เพื่อปฏิบัติงานรับสมัครลงทะเบียน ประเมินผล และออกเอกสารสำคัญในระดับบณฑิตศึกษามาถึงวันที่ 30 ตุลาคม 2545 ฝ่ายทะเบียนและวัดผลบัณฑิตศึกษาจึงได้ยุบไปรวมกับสำนักบัณฑิตศึกษา ซึ่งมหาวิทยาลัยได้จัดตั้งขึ้นมาใหม่ แต่สำนักทะเบียนและวัดผลยังคงรับผิดชอบงานจัดทำต้นฉบับแบบทดสอบ งานจัดสอบชุดวิชา และสอบประมวลความรู้ของนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา เมื่อวันที่ 24 ตุลาคม 2543 ได้มีการจัดตั้งศูนย์วิชาการประเมินผลเป็นส่วนราชการภายในสำนักอย่างไม่เป็นทางการ โดยแยกอาจารย์ประจำสำนักมาสังกัดศูนย์วิชาการประเมินผล เพื่อปฏิบัติปฏิบัติงานด้านวิชาการวัดและประเมินผล

เมื่อวันที่ 30 กันยายน 2547 ได้มีการจัดตั้งศูนย์ข้อมูลทะเบียนและบริการนักศึกษา และฝ่ายจัดสอบ เป็นส่วนราชการภายในสำนักทะเบียนและวัดผลขึ้นอย่างไม่เป็นทางการ แต่ในปัจจุบัน ภาระหน้าที่ความรับผิดชอบของสำนักมีมากขึ้น สำนักจึงได้มีการพิจารณาปรับปรุงโครงสร้างหน่วยงานใหม่ เพื่อให้การบริหารงานมีความชัดเจน สะดวกและคล่องตัวในการดำเนินงานอย่างมีประสิทธิภาพ โดยในปี พ.ศ. 2548 ได้เสนอมหาวิทยาลัยเพื่อขอปรับปรุงหน่วยงานเป็น 9 หน่วยงานให้กองแผนงาน วิเคราะห์ โดยมีหน่วยงานที่เพิ่มใหม่มี 5 หน่วยงาน คือ ฝ่ายจัดสอบ ฝ่ายเอกสารสำคัญการศึกษา ศูนย์วิชาการและประเมินผล และศูนย์ข้อมูลทะเบียนและบริการนักศึกษา