2006年7月、東京都千代田区において、東京大学先端科学技術研究センター教授だった菅裕明氏と、日産自動車・株式会社JGSを経て創薬ビジネス経験を積んだ窪田規一氏の2人を共同創業者として、ペプチドリーム株式会社が設立された。研究室は東京大学先端科学技術研究センター内に置かれ、菅氏が開発した「フレキシザイム」と呼ばれる人工RNA触媒の技術を母体に、特殊環状ペプチドを大規模に合成・スクリーニングする創薬基盤の事業化が起業の核となった。設立後ほどなくして、同年12月に東京大学から、翌2007年5月にニューヨーク州立大学から、フレキシザイム関連特許の第三者へのサブライセンス権付き独占的通常実施権を取得した。創業者2人が研究と経営をそれぞれ担う典型的なアカデミア発スタートアップとして始まった。

2009年3月に本社を東京都目黒区に移し、2010年4月にはラボ機能を東京大学駒場リサーチキャンパスKOL内に集約。同年10月、同社独自の創薬開発プラットフォームシステム（PDPS：Peptide Discovery Platform System）の確立を公式に発表した。PDPSは、フレキシザイムを用いて1,000兆種類規模のペプチドライブラリーから医薬品候補を絞り込む独自基盤で、製薬企業に対するライセンス供与と共同研究契約を主な収益源とする「研究開発受託型バイオベンチャー」というビジネスモデルを確立した時期にあたる。

2013年6月、東京証券取引所マザーズ市場に株式を上場した。創業から7年での上場で、上場時の連結売上高はFY13に8.2億円、当時はまだ単体決算でJGAAPベース。設立から上場までの7年で、武田薬品工業・アステラス製薬・Bristol Myers Squibb・Novartisなど内外大手製薬とのライセンス契約・共同研究契約を矢継ぎ早に締結しており、研究開発受託料の積み上がりが収益の柱だった。2015年12月、東証マザーズから市場第一部へ市場変更。当時の売上高はFY15で43.3億円、設立から9年での1部昇格は東大発バイオベンチャーとして異例の速さだった。