Trädsvarven som dök upp under det andra årtusendet f.Kr. var den tidigaste prototypen av verktygsmaskinen. När du arbetar, trampa på hylsan i den nedre änden av repet, använd grenens elasticitet för att få arbetsstycket att rotera i repet, håll skalet eller stenspånet som ett verktyg och flytta verktyget längs ribban för att skära av arbetsstycke. Medeltida elastiska stångsvarvar använde fortfarande denna princip. Annons inne i artikeln
På 1400-talet, på grund av behovet av att tillverka klockor och vapen, dök det upp trådsvarvar och redskapsbearbetningsmaskiner för urmakare, såväl som vattendrivna tunnborrmaskiner. Omkring 1500 ritade italienaren Leonardo da Vinci konceptuella skisser av svarvar, borrmaskiner, gängmaskiner och invändiga slipmaskiner, inklusive nya mekanismer som vevar, svänghjul, halsspetsar och lager. "Tian Gong Kai Wu" som publicerades under Mingdynastin i Kina innehåller också strukturen hos en slipmaskin, som använder en fotpedal för att rotera en järnplatta och tillsätter sand och vatten för att skära jade.
Den industriella revolutionen på 1700-talet främjade utvecklingen av verktygsmaskiner. 1774 uppfann britten Wilkinson en mer exakt fatborrningsmaskin. Året därpå använde han denna tunnborrmaskin för att borra ut cylindrarna som uppfyllde kraven för Watts ångmaskin. För att kunna borra större cylindrar byggde han 1776 en vattenhjulsdriven cylinderborrmaskin, som främjade utvecklingen av ångmaskinen. Sedan dess har verktygsmaskinen drivits av en ångmaskin genom en överliggande axel.
1797 skapade britten Maudsley en svarv med en skruvdriven verktygshållare, som kan realisera motoriserad matning och gängsvarvning, vilket är en stor förändring i verktygsmaskinens struktur. Maudsley är också känd som "fadern till den brittiska verktygsmaskinindustrin".
På 1800-talet, på grund av främjandet av textil-, kraft-, transportmaskineri och vapenproduktion, dök olika typer av verktygsmaskiner upp efter varandra. 1817 skapade britten Roberts en portalhyvel; 1818 tillverkade amerikanen Whitney en horisontell fräsmaskin; 1876 tillverkade USA en universell cylindrisk slipmaskin; 1835 och 1897 uppfann han en kugghjulsmaskin och en kuggformare.
Med uppfinningen av den elektriska motorn började verktygsmaskinen att använda elmotorn för att driva centralt, och använde sedan allmänt den enda elektriska motordrivningen. I början av 1900-talet skapades successivt koordinatborrmaskiner och gängslipmaskiner för att bearbeta arbetsstycken, fixturer och gängverktyg med högre precision. Samtidigt, för att möta behoven för massproduktion i industrier som bilar och lager, har olika automatiska verktygsmaskiner, kopieringsmaskiner, kombinerade verktygsmaskiner och automatiska produktionslinjer utvecklats.
Med utvecklingen av elektronisk teknik utvecklade USA den första numeriskt styrda verktygsmaskinen 1952; 1958 utvecklade man ett bearbetningscenter som automatiskt kan byta verktyg för flerprocessbearbetning. Sedan dess, med utvecklingen och tillämpningen av elektronisk teknik och datorteknik, har verktygsmaskinen genomgått betydande förändringar i körmetoder, styrsystem och strukturella funktioner.