自人类文明史开始，由美索不达米亚时期，经过埃及、希腊、罗马、中古等时期一直到文艺复兴时期，齿轮技术经历了漫长的历史演变。在这个漫长的演化进程中，在齿轮及机械史上有所贡献的历史伟人，如阿基米德、伽利略、达文西、卡谬、尤拉、路易士、赫兹、葛理逊等人的简历、人像照片及生平也显得弥足珍贵。
有关齿轮历史演化的阶段，可以借用德国K. Kutzbach教授划分方法：齿轮发展史的第一阶段是早期齿轮或类似梢（灯笼形）的齿轮，这是齿轮的最早雏形。该阶段，齿轮并不讲求齿形、齿距等理论，轮齿仅仅作简单的勾拉运动，存在的问题是，由于齿与齿之间存在空隙，齿形也仅为方柱状，即使主动齿轮可以连续运转，被动齿轮也无法顺利衔接，会产生短暂的停滞现象，故不能达到连续运转的目标，也就不能做汲水、起重等粗重工作以外更进一步的作业用途。鉴于此，人们苦思解决之道，方法是减少齿距，使被动齿能够不至于中断运转，于是人类对于齿轮的运用，进入了下述的第二阶段。
上古时期
齿轮由谁发明，无法考究，但可以确定的是时间非常久远。一般来说，齿轮的产生，可以有以下几种思考来源：装饰或道具；金属铸造；锉刀；有辐辏但并无轮缘的轮子。但这些均属于公元前2000年的思考来源，无法确认有技术意含。换言之，在我们理解齿轮具有技术意含之前的很长时间，齿轮已经以非技术性的面貌，存在于我们的生活之中了。人类如何着手制造齿轮，其背后应具备怎样的技术能力？基本上，人类在公元前400年的时候，就懂得使用锉刀。由于锉刀的发明，人类才有能力配合已经拥有的斧头、槌子等工具以金属和木头为材料加工齿轮。齿轮的发展史第二阶段进展至时钟用齿轮，虽未有齿形理论，但齿轮已经具有弧线表面，并注意齿距等问题。经过这两个阶段的发展，此时人们已经注意到精确的齿距是确保连续运转的前题之一，但存在的问题是齿轮虽然可以连续运转，但是被动齿轮的速度仍旧无法成为稳定的固定值，从而人类逐渐将探究的焦点转向齿形。