Cacbon đioxit là một trong các khí đầu tiên được miêu tả như là chất hiện hữu trong không khí. Vào thế kỷ XVII, nhà hóa học người Flanders là Jan Baptist van Helmont đã quan sát thấy khi ông đốt than củi trong bình kín thì khối lượng còn lại của tro là thấp hơn so với khối lượng nguyên thủy của than củi. Diễn giải của ông là phần còn lại của than củi đã được biến tố thành chất không nhìn thấy mà ông gọi là "khí" hay "linh hồn hoang dã" (spiritus sylvestre).

Các thuộc tính của cacbon đioxit được nhà vật lý người Scot là Joseph Black nghiên cứu nhiều hơn trong thập niên 1750. Ông phát hiện ra là đá vôi (canxi cacbonat) có thể nung nóng hay xử lý bằng các axit để sinh ra khí mà ông gọi là "không khí cố định". Ông quan sát thấy không khí cố định nặng hơn không khí và không hỗ trợ sự cháy cũng như sự sống của động vật. Ông cũng phát hiện là nó có thể, khi cho chạy qua dung dịch nước của vôi tôi (canxi hydroxit) làm kết tủa canxi cacbonat và sử dụng hiện tượng này để minh họa rằng cacbon điôxít là sản phẩm của sự hô hấp của động vật và lên men vi sinh vật. Năm 1772, Joseph Priestley sử dụng cacbon đioxit tạo ra từ phản ứng của axit sunfuric với đá vôi để điều chế nước soda, ví dụ đầu tiên được biết của đồ uống cacbonat hóa nhân tạo.

Cacbon đioxit được Humphrey Davy và Michael Faraday hóa lỏng lần đầu tiên năm 1823 bằng tăng áp suất. Mô tả đầu tiên về cacbon đioxit rắn là của Charles Thilorier, là người năm 1834 đã mở thùng chứa cacbon đioxit lỏng bị nén, chỉ để tìm sản phẩm được tạo ra do bị làm lạnh vì sự bay hơi nhanh của cacbon đioxit lỏng và thấy "tuyết" của CO2 rắn.