L'Istituto nacque e proseguì grazie a contributi di soci, anche famosi come Eleonora Duse, all'appoggio della Casa reale, del Governo, della Provincia e del Comune di Firenze, oltreché della Cassa di risparmio di Firenze e di altri organismi cittadini. Poteva inoltre contare su sussidi annuali erogati dai ministeri dell'Interno e della Pubblica istruzione. Era rappresentato da un Consiglio d'amministrazione e guidato da un Consiglio direttivo del quale fecero parte, fin dalla fondazione, gli psichiatri della Clinica psichiatrica e del manicomio che lavoravano anche nell'Istituto stesso.
La prima sede fu nella villa François in S. Maria a Coverciano, nell'area sud est di Firenze. Per un breve periodo ebbe a disposizione villa Conti, situata sul viale in Curva 15 (oggi viale Belfiore). Nel 1900 fu deliberato di intitolare l'Istituto a Umberto I, ucciso nel luglio dello stesso anno dall'anarchico Gaetano Bresci.
I ricoverati che in apertura erano sette arrivarono ad un massimo di trenta. Per rispondere alle aumentate richieste di posti e per realizzare una organizzazione consona alle esigenze, si rese necessaria una ristrutturazione. Con regio decreto del 3 marzo 1910 fu eretto in ente morale e denominato Istituto medico pedagogico Umberto I per fanciulli minorati psichici. Si stabilì definitivamente in via Settignanese n. 128 (che poi diverrà via Gabriele d'Annunzio n. 29, attualmente sede della Azienda sanitaria di Firenze), nell'area di Coverciano vicino a San Salvi dove, dagli ultimi anni dell'Ottocento, funzionavano la Clinica psichiatrica universitaria e il nuovo manicomio cittadino con la sua struttura a villaggio in cui i bambini venivano ricoverati non separatamente dagli adulti, come lamentava lo stesso direttore Eugenio Tanzi ancora nel 1903. Nel novembre 1916, all'Umberto I venne costruita una nuova ala destinata alla Sezione femminile; con la fine della Grande guerra il numero dei minori tardivi accolti raggiunse il centinaio e nel 1936 arrivò a 185.
La struttura accoglieva bambini tra i 4 e i 12 anni affetti da forme diversissime di "deficienza mentale", che andavano "dall'idiozia e dall'imbecillità vere e proprie alla semplice tardività". Dovevano essere suscettibili di cura; se dopo il primo anno non vi fossero stati miglioramenti, allora sarebbero stati dimessi. Al suo interno si attuavano trattamenti sanitari, programmi educativi, di addestramento professionale e ricreativi. Vi lavoravano medici psichiatri, psicologi, pedagogisti, e insegnanti; si praticavano i test di Binet-Simon, esercizi di "ortopedia mentale" e all'interno operava una sezione fröebeliana. Oltre al direttore sanitario, che si avvaleva di consulenti di varie specialità mediche, vi era un direttore didattico il quale presiedeva alle attività svolte da insegnanti elementari e speciali. Questo ruolo fu ricoperto da Vincenzo Berrettoni, da Antonio Aliotta e da altri allievi di Francesco De Sarlo, professore di filosofia e dall'a.a 1903-1904 direttore dell'Istituto di psicologia presso l'Istituto di studi superiori pratici e di perfezionamento (dal 1925 trasformato in Università di Firenze). Era suo allievo anche Giovanni Calò, professore di pedagogia a Firenze che si dedicò alla didattica per i "minori anormali" dell'Umberto I e alla connessa Scuola magistrale ortofrenica di Firenze, istituita nel 1925-26 per la formazione dei maestri speciali il cui tirocinio si svolgeva proprio presso l'Umberto I.
Nel 1934 l'Istituto stipulò una convenzione con il ministero dell'Educazione nazionale che stabilì la parificazione della scuola elementare interna, la quale funzionava anche da sede di esami per anormali psichici esterni e per quelli ricoverati nel reparto pedagogico dell'ospedale psichiatrico. Nel 1936, alla morte dell'ebreo Modigliano, la direzione dell'Umberto I venne associata per un breve periodo alla direzione del manicomio che lo psichiatra Paolo Amaldi teneva da trent'anni, fino al gennaio 1937.
Durante la seconda guerra mondiale l'Istituto attraversò notevoli difficoltà e la ripresa del lavoro nel 1945 fu molto difficile: sia per le necessità urgenti di immediata assistenza dovute al conflitto, sia per la riorganizzazione in base ai nuovi criteri assistenziali e medico-psico-pedagogici che si stavano affermando nel contesto nazionale e internazionale in quegli anni. Venne chiamato a dirigerlo Sergio Levi, già medico all'ospedale per bambini Meyer, nel '38 allontanato per le leggi razziali. Pediatra specializzatosi in neuropsichiatria infantile, dal 1946 perseguì un radicale programma di rinnovamento e ristrutturazione del servizio pubblico offerto dall'Istituto, che si affermò come centro d'eccellenza in Italia e all'estero. Le attività di ricerca scientifica furono notevolmente incrementate, così come il lavoro ambulatoriale, di diagnosi e terapia, quello pedagogico e di reinserimento sociale.
Furono ammodernati e risistemati i servizi, con nuovi arredi e costruzioni (aule scolastiche, sale di ritrovo, laboratori, palestra, ambulatorio), e fu ristrutturato e qualificato il personale. Il direttore era affiancato da un medico assistente, da un medico aggiunto, da uno psicologo, da un'assistente sanitaria e da un'infermiera. Al servizio medico-psicologico collaboravano inoltre i diplomati della Scuola di studi sociali di Firenze fondata nel gennaio 1947 da un gruppo di professori dell'ateneo, la quale attuava un tirocinio anche presso l'Istituto. Particolarmente sviluppata la sezione psicologica che svolgeva valutazioni intellettive, caratteriologiche, di personalità e prove di orientamento professionale. Il servizio pedagogico era diviso in diversi livelli e settori con personale specializzato nell'insegnamento ortofrenico e ortofonico: scuola materna e elementare, classi di ortofonia, sezioni di disegno e parascolastiche, educazione fisica, laboratori artigiani, insegnamento della religione.
L'Istituto era aperto anche a bambini esterni, iscritti privatamente, ed effettuava attività di consulenza per le scuole elementari cittadine e per vari enti pubblici, dal Centro distrettuale di difesa sociale per i minorenni, all'Opera nazionale maternità e infanzia e all'Istituto per le applicazioni della psicologia del Comune di Firenze diretto, sin dal 1935, da Alberto Marzi che nel '38 sostituì Enzo Bonaventura nella docenza di psicologia sperimentale all'Università. L'Umberto I ammetteva due classi di paganti; la retta dei bambini di famiglie non abbienti era a carico di enti morali o assunta dalle amministrazioni provinciali di provenienza dei ricoverati con le quali si stipularono convenzioni.
Secondo la revisione dello Statuto approvata nel 1953, i membri del Consiglio di amministrazione erano designati all'interno di enti pubblici coinvolti a vario titolo nell'assistenza ai minori: prefettura, provincia, Comune, provveditorato agli Studi, Ordine dei medici.
Nel settembre 1966 il direttore Levi morì improvvisamente. Tre mesi dopo fu chiamato a sostituirlo Arrigo Bigi, neuropsichiatra infantile formatosi anche a Parigi e psicoanalista della Società psicoanalitica Italiana (nel 1974 fu tra i fondatori del Centro di psicoanalisi di Firenze) che nel '69 lasciò l'incarico. Esso fu assunto per concorso, secondo lo Statuto e il Regolamento dell'Istituto approvati nel 1967, dal neuropsichiatra infantile e pedagogista clinico Giuseppe Talamucci, che mantenne la direzione dell'Istituto fino alla sua chiusura.
Con la riforma del Sistema sanitario nazionale (l. 83/1978) l'Umberto I passò di competenza alla USL 10/E Firenze e poco dopo venne chiuso.