Il tornio ad albero che apparve nel secondo millennio aC fu il primo prototipo di macchina utensile. Durante il lavoro, calpestare la ghiera all'estremità inferiore della fune, utilizzare l'elasticità del ramo per far ruotare il pezzo in lavorazione dalla fune, tenere il guscio o il frammento di pietra come uno strumento e spostare lo strumento lungo la stecca per tagliare il pezzo. I torni medievali a barra elastica utilizzavano ancora questo principio. Pubblicità all'interno dell'articolo
Nel XV secolo, per la necessità di fabbricare orologi e armi, compaiono i torni a filettare e le macchine per la lavorazione degli ingranaggi per gli orologiai, nonché le foratrici ad acqua. Intorno al 1500, l'italiano Leonardo da Vinci disegnò schizzi concettuali di torni, alesatrici, filettatrici e rettificatrici interne, inclusi nuovi meccanismi come manovelle, volani, punte del collo e cuscinetti. Il "Tian Gong Kai Wu" pubblicato durante la dinastia Ming in Cina contiene anche la struttura di una rettificatrice, che utilizza un pedale per ruotare una piastra di ferro e aggiunge sabbia e acqua per tagliare la giada.
La rivoluzione industriale del XVIII secolo ha promosso lo sviluppo delle macchine utensili. Nel 1774, il britannico Wilkinson inventò una macchina alesatrice a botte più precisa. L'anno successivo, ha utilizzato questa barrieratrice per alesare i cilindri che soddisfacevano i requisiti del motore a vapore di Watt. Per forare cilindri più grandi, costruì nel 1776 un'alesatrice per cilindri azionata da ruote idrauliche, che promosse lo sviluppo della macchina a vapore. Da allora, la macchina utensile è stata azionata da un motore a vapore attraverso un albero aereo.
Nel 1797, il britannico Maudsley creò un tornio con un portautensili a vite, in grado di realizzare avanzamenti motorizzati e tornitura di filetti, che rappresenta un cambiamento importante nella struttura della macchina utensile. Maudsley è anche conosciuto come il "padre dell'industria britannica delle macchine utensili".
Nel XIX secolo, a causa della promozione della produzione di macchine tessili, elettriche, di trasporto e di armi, apparvero uno dopo l'altro vari tipi di macchine utensili. Nel 1817, gli inglesi Roberts crearono una pialla a portale; nel 1818 l'americano Whitney realizzò una fresatrice orizzontale; nel 1876, gli Stati Uniti realizzarono una smerigliatrice cilindrica universale; nel 1835 e nel 1897 inventò una macchina dentatrice e una dentatrice.
Con l'invenzione del motore elettrico, la macchina utensile ha iniziato ad utilizzare il motore elettrico per azionare centralmente, e poi ha ampiamente utilizzato l'azionamento a motore elettrico singolo. All'inizio del '900, per lavorare con maggiore precisione pezzi, attrezzature e utensili per filettare, sono state successivamente create alesatrici a coordinate e rettificatrici per filetti. Allo stesso tempo, per soddisfare le esigenze della produzione di massa in settori come quello automobilistico e dei cuscinetti, sono state sviluppate varie macchine utensili automatiche, macchine copiatrici, macchine utensili combinate e linee di produzione automatiche.
Con lo sviluppo della tecnologia elettronica, gli Stati Uniti hanno sviluppato la prima macchina utensile a controllo numerico nel 1952; nel 1958 ha sviluppato un centro di lavoro in grado di cambiare automaticamente gli utensili per lavorazioni multiprocesso. Da allora, con lo sviluppo e l'applicazione della tecnologia elettronica e informatica, la macchina utensile ha subito notevoli cambiamenti nelle modalità di guida, nei sistemi di controllo e nelle funzioni strutturali.