หุ่นยนต์มีเรื่องราวมายาวนานตั้งแต่ยุคโบราณ แต่จะอยู่ในเรื่องเล่าของตำนานปรัมปราเสียเป็นส่วนมาก เช่นในสมัยกรีกโบราณมีตำนานของ ทาลอส (Talos) หุ่นยนต์ทหารยามผู้พิทักษ์เกาะครีต  ทำหน้าที่ป้องกันการบุกรุกของศัตรู และขัดขวางมิให้พลเมืองออกจากเกาะโดยมิได้รับราชานุญาตจากกษัตริย์ไมนอส ในตำนานกล่าวว่า ทาลอสคือรูปปั้นทองเหลืองที่ถูกราดด้วยน้ำศักดิ์สิทธิ์จึงสามารถเคลื่อนไหวได้ แม้ว่าจะไม่ได้กล่าวถึงกลไกขับเคลื่อน แต่ก็เป็นภาพลักษณ์ต้นแบบของหุ่นยนต์จนถึงทุกวันนี้

มนุษย์ได้มีการประดิษฐ์ อุปกรณ์กลที่เคลื่อนไหวได้มานานมากแล้ว โดยในสมัยโบราณชาวกรีกจะเรียกว่า ออโตมาตา (automata)  ซึ่งเป็นที่มาของคำว่า "อัตโนมัติ" (autonomous) ในปัจจุบันนั่นเอง

ออโตมาตาชิ้นแรกของโลกเท่าที่มีหลักฐานบันทึกไว้  เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 400 ปีก่อนคริสตกาล (พ.ศ.143) โดย อาร์คายทาส (Archytas of Tarentum) นักคณิตศ่าสตร์และนักประดิษฐ์ชาวกรีก ได้ประดิษฐ์นกพิราบกล (Pigeon) ที่สามารถบินและขยับปีกขึ้นลงได้ โดยอาศัยแรงขับเคลื่อนจากไอน้ำ

ออโตมาตาที่ทำงานครบสมบูรณ์รุ่นแรกเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 250 ปีก่อนคริสตกาล (พ.ศ.293) โดย ทซิบิอุส (Ctesibius of Alexandria) นักคณิตศ่าสตร์และนักประดิษฐ์ชาวกรีก ได้ประดิษฐ์นาฬิกาน้ำที่เรียกว่า เครปไซดร้า (Clepsydra) ซึ่งบอกเวลาโดยระดับน้ำ และใช้หลักการของกาลักน้ำเติมน้ำอยู่ตลอดเวลา ทำให้นาฬิกาน้ำสามารถทำงานได้ใหม่โดยอัตโนมัติ

ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 1 (พ.ศ.543-643) เฮรอน (Heronof Alexandria) นักคณิตศ่าสตร์และนักประดิษฐ์ชาวกรีก ได้สร้างอุปกรณ์ขึ้นมากมาย หนึ่งในนั้นคืออุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยไอน้ำ (Aeolipile) หรือเครื่องจักรเฮรอน ซึ่งถือเป็นเครื่องจักรไอน้ำตัวแรกของโลก

ปี ค.ศ.1206 (พ.ศ.1749)  นักนักประดิษฐ์ชาวมุสลิมชื่อ อัล-จาซารี (Al-jazari) ได้ออกแบบเรือที่มีวงดนตรีหุ่นกลนั่งเล่นดนตรีอยู่ข้างใน 4 ตัว เพื่อถวายความบันเทิงแก่บรรดาแขกของเชื้อพระวงศ์ โดยการขับเคลื่อนของหุ่นกลนั้นใช้พลังงานจากน้ำ และสามารถปรับเปลี่ยนจังหวะการทำงานของหุ่นตีกลองได้โดยการย้ายหมุดไปยังตำแหน่งที่แตกต่างกัน

ปี ค.ศ.1495 (พ.ศ.2038) ได้พบหลักฐานการออกแบบหุ่นยนต์คล้ายมนุษย์ (humnoid) ตัวแรกของโลก จากบันทึกของ ลีโอนาร์โด ดาวินชี (Leonardo da Vinci) ศิลปินและนักประดิษฐ์ชาวอิตาลี  เป็นภาพร่างของหุ่นยนต์อัศวินที่มีรายละเอียดกลไกอยู่ภายใน ซึ่งสามารถขยับแขนและศรีษะได้ แต่ก็ไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าหุ่นยนต์ที่ออกแบบนี้ได้ถูกสร้างขึ้นมาหรือไม่

ปี ค.ศ.1737 (พ.ศ.2280) จาร์ค เดอ ฟูคอนซอน (Jacques de Vaucanson ) นักประดิษฐ์ชาวฝรั่งเศส ได้สร้างหุ่นยนต์เป่าฟลุต (Flute Player) ที่เป่าฟลุตออกมาเป็นเพลงได้ถึง 12 เพลงอย่างไพเราะ โดยมีการขยับนิ้วมือที่ทำด้วยไม้และมีปอดเทียมในการขับลมมาเป่าฟลุต และใน 2 ปีถัดมาจาร์ค เดอ ฟูคอนซอน ได้สร้างหุ่นยนต์เล่นแทมโบลีน (Tambourine Player) และหุ่นยนต์เป็ด (Digesting Duck) ที่มีกลไกเคลื่อนไหวกว่า 400 ชิ้น สามารถที่จะขยับปีก แสดงท่าทางการกิน ย่อย(บดเมล็ดพันธุ์พืช) และขับถ่ายได้ ซึ่งถือว่าเป็นหุ่นยนต์ยุคใหม่ที่สามารถทำงานได้จริงเป็นตัวแรกของโลก

หุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้ตัวแรกของโลกเกิดขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองหรือในช่วงปี ค.ศ.1939-2045 (พ.ศ.2482-2588) ในรูปแบบของระเบิดบิน (flying bomb) ที่มีความฉลาด อาศัยอุปกรณ์ตรวจรู้หรือเซ็นเซอร์ (sensor) เป็นตัวควบคุมการจุดระเบิด

ในช่วงปี ค.ศ.1948-1949 (พ.ศ.2491–2492) วิลเลี่ยม เกรย์ วอลเทอร์ (William Grey Walter) ชาวอเมริกัน สร้างหุ่นยนต์อัตโนมัติที่มีรูปร่างคล้ายเต่าเรียกว่า แมคินา สเปคคูลาทริกซ์ (Machina Speculatrix) ชื่อ เอลเมอร์ (Elmer) และเอลซี่ (Elsie) จากมอเตอร์ไฟฟ้า มีล้อ 3 ล้อเพื่อใช้ในการเคลื่อนที่ และมีอุปกรณ์ตรวจรู้แสง หุ่นยนต์ทั้งสองตัวถูกตั้งการทำงานให้วิ่งเข้าหาแสง และมีความสามารถที่จะเคลื่อนที่หลบเลี่ยงสิ่งกีดขวางได้ นับว่าเป็นหุ่นยนต์ตัวแรกที่เคลื่อนที่ได้ด้วยตัวเอง

ในปี ค.ศ.1960 (พ.ศ.2503) มหาวิทยาลัยจอนส์ฮอปกินส์ (Johns Hopkins University) ได้พัฒนาหุ่นยนต์ชื่อ บีสท์ (Beast) ที่มีอุปกรณ์ตรวจรู้แสง และระบบการสะท้อนของคลื่นเสียงโซน่าร์ (sonar) ช่วยในการนำทาง โดยหุ่นยนต์สามารถที่จะเคลื่อนที่ไปมาได้อย่างอิสระ และกลับมาเติมพลังงานเข้าสู่แบตเตอรี่ได้ด้วยตัวเอง

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมตัวแรกของโลก ถือกำเนิดขึ้นในปี ค.ศ.1961 (พ.ศ.2504) โดย จอร์จ ดีวอล (George Devol) และ โจเซฟ เอ็นเกลเบอร์เกอร์ (Joseph Engelberger) วิศวกรชาวอเมริกัน ทั้งสองได้ประดิษฐ์แขนกลหุ่นยนต์ สำหรับใช้ในงานอุตสาหกรรมชื่อ ยูนิเมท (Unimate) และเปิดตัวบริษัทสร้างหุ่นยนต์แห่งแรกของโลกชื่อ ยูนิเมชั่น (Unimation) โดยต่อมาโจเซฟได้รับสมญานามว่า “บิดาแห่งหุ่นยนต์ด้านอุตสาหกรรม”

ปี ค.ศ.1966 (พ.ศ.2509) เชกกี้ (Shakey) หุ่นยนต์เคลื่อนที่ตัวแรกของโลกที่มีความคิดเป็นของตัวเอง พัฒนาโดยสถาบันวิจัยสแตนฟอร์ด (SRI : Stanford Research Institute) ได้ถือกำเนิดขึ้น เชกกี้มีระบบคอมพิวเตอร์ที่ใช้ในการประมวลผลภาพ (image processing) และอุปกรณ์ตรวจรู้เป็นเครื่องบอกนำทางในการเคลื่อนที่

ปี ค.ศ.1970 (พ.ศ.2513) หุ่นยนต์ชื่อ ลูน่าโคตร-วัน (Lunokhod 1) สร้างโดยสหภาพโซเวียต (ปัจจุบันคือประเทศรัสเซีย) เป็นหุ่นยนต์ควบคุมจากระยะไกลตัวแรกของโลกที่ขึ้นไปสำรวจสภาพพื้นผิวของดวงจันทร์ ตัวหุ่นยนต์ประกอบด้วยล้อทั้งหมด 8 ล้อ มีอุปกรณ์ตรวจรู้ต่างๆเช่น กล้องโทรทัศน์ 4 ตัว อุปกรณ์ตรวจรู้รังสีคอสมิกและรังสีเอ็กซ์ (cosmic-ray, X-ray) เป็นต้น หุ่นยนต์ลูน่าโคตร-วัน ถูกออกแบบให้สามารถนำพลังงานจากแสงอาทิตย์มาใช้เป็นพลังงานในการขับเคลื่อนได้

ปี ค.ศ. 1977 (พ.ศ. 2520) ภาพยนตร์เรื่องสตาร์วอร์ (Star Wars) ได้สร้างจินตนาการถึงหุ่นยนต์ที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอัตโนมัติชื่อ อาร์ทูดีทู (R2D2) และหุ่นยนต์คล้ายมนุษย์ชื่อ ซีทรีพีโอ (C3PO) ภาพยนตร์เรื่องนี้โด่งดังมาก จนทำให้คนรู้จักและสนใจหุ่นยนต์มากขึ้น

20 ปีหลังจากที่หุ่นยนต์อุตสาหกรรมตัวแรกของโลกได้ถือกำเนิดขึ้นในประเทศสหรัฐอเมริกา แต่หุ่นยนต์กลับได้รับการพัฒนา และเติบโตอย่างมากในประเทศญี่ปุ่น ในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรม การขยายตัวของอุตสาหกรรมทำให้หุ่นยนต์ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเพื่อทดแทนแรงงานคน และเพิ่มผลผลิต เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ และอุตสาหกรรมเครื่องใช้ไฟฟ้า

หุ่นยนต์มักถูกใช้ในงานที่เสี่ยงอันตราย หรืองานที่ต้องการความแม่นยำและความละเอียดสูง ในช่วงแรกหุ่นยนต์จะยังขาดความสามารถในการเรียนรู้ และทำงานได้อย่างจำกัดโดยอาศัยการรับคำสั่งจากมนุษย์ แต่ต่อมาความสามารถของหุ่นยนต์กลับเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ เมื่อโลกได้ก้าวเข้าสู่ยุคอินเตอร์เน็ต (internet) ตั้งแต่ ค.ศ.1990 (พ.ศ.2533) เป็นต้นมา หุ่นยนต์มีความสามารถ และแข็งแกร่งมากขึ้นจากวิทยาการด้านคอมพิวเตอร์ วัสดุและโลหะ ความรู้ที่มนุษย์สั่งสมมานานสามารถถ่ายทอดสู่สมองกลของหุ่นยนต์ได้ภายในเสี้ยววินาที

ในปี ค.ศ.1997 (พ.ศ.2540) ความชาญฉลาดของมนุษย์ถูกท้าทายจากปัญญาประดิษฐ์ (artificial intelligence) แกรี่ กาสปาโรฟ (Garry Kasparov) แชมป์หมากรุกโลกชาวรัสเซีย สูญเสียชัยชนะให้กับสมองกลที่ชื่อ ดีพบลู (Deep Blue) ชึ่งพัฒนาโดยมหาวิทยาลัยคาร์เนกีเมลลอน (Carnegie Mellon University) และบริษัทไอบีเอ็ม (IBM) สมองกลรุ่นใหม่นี้ทำให้หุ่นยนต์มีการทำงานที่รวดเร็วมากขึ้น สามารถทำงานได้ด้วยการวิเคราะห์ข้อมูลภายในสมองกลของหุ่นยนต์เอง โดยไม่ต้องอาศัยการตัดสินใจจากมนุษย์

ในปีเดียวกันนั้นเอง โซเจอร์เนอร์ (Sojourner) หุ่นยนต์จากโลกเหยียบดาวอังคารเป็นครั้งแรก รับหน้าที่ในการถ่ายภาพพื้นผิว และเก็บตัวอย่างหิน ในโปรเจ็กส์ พาธฟายน์เดอร์ (Pathfinder) ขององค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ  (NASA: National Aeronautics and Space Administration)

หุ่นยนต์ได้ถูกพัฒนาความสามารถทางกายภาพ และความคิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง บทบาทของหุ่นยนต์ได้เปลี่ยนจากเครื่องจักรกลที่ทำงานได้อย่างแม่นยำในโรงงานอุตสาหกรรม เป็นหุ่นยนต์ที่มีอารมณ์และความรู้สึก ในปี ค.ศ.1999 (พ.ศ.2542) หุ่นยนต์สุนัข ไอโบ้ (Aibo) พัฒนาโดยบริษัทโซนี่ (Sony) ประเทศญี่ปุ่น สร้างขึ้นให้มีลักษณะเหมือนสัตว์เลี้ยง มีความรู้สึกตอบสนอง เพื่อให้สามารถเป็นเพื่อนกับมนุษย์ได้

ในปี ค.ศ.2000 (พ.ศ.2543) บริษัทฮอนด้า (Honda) ประเทศญี่ปุ่นได้พัฒนาหุ่นยนต์เดินสองขาคล้ายมนุษย์ (humanoid) มาจนถึงรุ่นที่ 11 โดยใช้เวลาในการค้นคว้าและวิจัยถึง 14 ปี รู้จักกันในชื่อว่า อซิโม (ASIMO) อซิโมถูกวางให้เป็นหุ่นยนต์ที่สามารถทำงานรับใช้มนุษย์ได้ เป็นเพื่อนที่แสนดี และยังเป็นมิตรคู่คิดของมนุษย์อีกด้วย

ในช่วงปี ค.ศ.2003-2004 (พ.ศ.2546–2547) สำนักพัฒนาวิจัยภายใต้กระทรวงกลาโหมสหรัฐอเมริกา (DARPA : Defense Advanced Research Projects Agency) ได้เสนอให้มีการแข่งขันรถยนต์ที่สามารถเคลื่อนที่ได้เองโดยไม่มีคนขับ โดยกำหนดให้รถขับผ่านทะเลทรายระยะทาง 131 ไมล์ ภายในรถจะติดตั้งอุปกรณ์ตรวจรู้ต่างๆ ซึ่งสามารถรับรู้ถึงสภาพถนน การจราจร รวมถึงอุปสรรคกีดขวางต่างๆ บนถนนและรอบๆตัวรถได้เป็นอย่างดี และมีสมองกลคอมพิวเตอร์ไว้ประมวลผลจากอุปกรณ์ตรวจรู้ต่างๆ ที่ส่งเข้ามาอย่างชาญฉลาด ทำให้รถสามารถวิ่งถึงจุดหมายได้

เนื่องด้วยหุ่นยนต์มีชีวิตที่ยืนยาวและแข็งแกร่งกว่ามนุษย์ นักวิทยาศาสตร์จึงหวังว่าเมื่อหุ่นยนต์มาอยู่ร่วมกันกับมนุษย์ หุ่นยนต์จะช่วยดูแลและปกป้องมนุษย์ และเป็นสื่อกลางการส่งผ่านความรู้ที่เกิดจากการปฏิสัมพันธ์กับมนุษย์ ไปสู่รุ่นลูกหลานของมนุษย์ต่อไปได้