Máy tiện gỗ xuất hiện vào thiên niên kỷ thứ hai trước Công nguyên là nguyên mẫu sớm nhất của máy công cụ. Khi làm việc, hãy giẫm lên ống sắt ở đầu dưới của dây, sử dụng độ đàn hồi của nhánh để làm cho phôi xoay theo dây, giữ vỏ hoặc dăm đá làm công cụ và di chuyển dụng cụ dọc theo thanh để cắt phôi. Máy tiện thanh đàn hồi thời trung cổ vẫn sử dụng nguyên tắc này. Quảng cáo bên trong bài viết
Vào thế kỷ XV, do nhu cầu chế tạo đồng hồ và vũ khí, đã xuất hiện máy tiện ren và máy gia công bánh răng cho thợ đồng hồ, cũng như máy doa nòng chạy bằng sức nước. Khoảng năm 1500, Leonardo da Vinci, người Ý, đã vẽ các bản phác thảo khái niệm về máy tiện, máy khoan, máy ren và máy mài bên trong, bao gồm các cơ chế mới như tay quay, bánh đà, đầu cổ và ổ trục. "Tian Gong Kai Wu" được xuất bản vào thời nhà Minh ở Trung Quốc cũng có cấu trúc của một chiếc máy mài, sử dụng bàn đạp chân để xoay một tấm sắt, đồng thời thêm cát và nước để cắt ngọc.
Cuộc cách mạng công nghiệp của thế kỷ 18 đã thúc đẩy sự phát triển của máy công cụ. Năm 1774, Wilkinson người Anh đã phát minh ra máy khoan thùng chính xác hơn. Năm sau, ông sử dụng chiếc máy khoan thùng này để khoan những xi-lanh đáp ứng yêu cầu của động cơ hơi nước của Watt. Để khoan các xi-lanh lớn hơn, ông đã chế tạo máy khoan xi-lanh chạy bằng bánh xe nước vào năm 1776, máy này đã thúc đẩy sự phát triển của động cơ hơi nước. Kể từ đó, máy công cụ đã được điều khiển bởi động cơ hơi nước thông qua một trục trên cao.
Năm 1797, Maudsley người Anh đã tạo ra một chiếc máy tiện với giá đỡ dụng cụ chạy bằng vít, có thể thực hiện bước tiến và tiện ren bằng động cơ, đây là một thay đổi lớn trong cấu trúc của máy công cụ. Maudsley còn được mệnh danh là "cha đẻ của ngành công nghiệp máy công cụ của Anh".
Vào thế kỷ 19, do sự thúc đẩy của dệt may, năng lượng, máy móc vận tải và sản xuất vũ khí, các loại máy công cụ lần lượt xuất hiện. Năm 1817, Roberts người Anh đã tạo ra một máy bào giàn; năm 1818, người Mỹ Whitney chế tạo máy phay ngang; năm 1876, Mỹ chế tạo máy mài trụ vạn năng; vào năm 1835 và 1897, ông đã phát minh ra máy bẻ bánh răng và máy tạo hình bánh răng.
Với việc phát minh ra động cơ điện, máy công cụ bắt đầu sử dụng động cơ điện để truyền động tập trung, sau đó sử dụng rộng rãi truyền động động cơ điện đơn. Vào đầu thế kỷ XX, để gia công phôi, đồ gá và dụng cụ tạo ren với độ chính xác cao hơn, các máy doa phối hợp và máy mài ren lần lượt được chế tạo. Đồng thời, để đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt trong các ngành công nghiệp như ô tô và vòng bi, các loại máy công cụ tự động, máy sao chép, máy công cụ kết hợp và dây chuyền sản xuất tự động đã được phát triển.
Với sự phát triển của công nghệ điện tử, Hoa Kỳ đã phát triển máy công cụ điều khiển số đầu tiên vào năm 1952; vào năm 1958, nó đã phát triển một trung tâm gia công có thể tự động thay đổi công cụ để gia công nhiều quy trình. Kể từ đó, với sự phát triển và ứng dụng của công nghệ điện tử và công nghệ máy tính, máy công cụ đã trải qua những thay đổi đáng kể về phương pháp truyền động, hệ thống điều khiển và chức năng kết cấu.