Các hệ thống điều khiển tự động được phát triển lần đầu tiên hơn hai ngàn năm trước. Thiết bị điều khiển phản hồi đầu tiên ghi nhận được cho là đồng hồ nước của Ktesibios cổ đại ở Alexandria, Ai Cập khoảng thế kỷ thứ ba TCN. Nó đếm thời gian bằng cách điều chỉnh mức nước trong một bể chứa, và nước sẽ chảy ra từ bình đó.  Một thiết kế tương tự của loại đồng hồ nước này vẫn còn đang được sử dụng ở Baghdad, khi quân Mông Cổ chiếm được thành phố năm 1258. Rất nhiều thiết bị tự động đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ để thực hiện các công việc hữu ích hoặc chỉ đơn giản là để giải trí. Những ứng dụng sau này bao gồm máy tự động, phổ biến ở châu Âu trong thế kỷ 17 và 18, có những nhân vật nhảy mua lặp đi lặp lại các động tác giống nhau; Những thiết bị tự động này là ví dụ của điều khiển vòng hở. Các cột mốc quan trọng trong số các thiết bị điều khiển tự động phản hồi, hoặc "vòng kín", bao gồm bộ điều chỉnh nhiệt độ của lò nung do Drebbel phát minh, khoảng năm 1620, và bộ điều tốc quả văng ly tâm được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của động cơ hơi nước được James Watt phát minh vào năm 1788.

Trong tác phẩm "On governors" (bàn về các bộ điều tốc) vào năm 1868, James Clerk Maxwell đã có thể giải thích tính không ổn định được thể hiện bởi bộ điều tốc con văng  bằng cách sử dụng phương trình vi phân để mô tả hệ thống điều khiển này. Điều này chứng tỏ tầm quan trọng và hữu ích của các mô hình và phương pháp toán học trong việc tìm hiểu hiện tượng phức tạp này, và báo hiệu sự bắt đầu của điều khiển toán học và lý thuyết hệ thống. Các yếu tố của lý thuyết điều khiển đã xuất hiện trước đó nhưng không đáng kể và thuyết phục như trong phân tích của Maxwell.

Lý thuyết điều khiển có những bước tiến đáng kể trong 100 năm tiếp theo. Các kỹ thuật toán học mới đã làm cho nó có thể điều khiển được, chính xác hơn, các hệ thống động học phức tạp hơn đáng kể so với bộ điều tốc con văng ban đầu. Các kỹ thuật này bao gồm sự phát triển trong điều khiển tối ưu trong thập niên 1950 và 1960, theo sau là sự tiến bộ trong các phương pháp điều khiển ngẫu nhiên, bền vững, thích nghi và tối ưu trong thập niên 1970 và 1980. Các ứng dụng của phương pháp điều khiển đã khiến cho việc du hành không gian và vệ tinh thông tin trở nên có thể, và máy bay an toàn hơn và hiệu quả hơn, các động cơ ô tô sạch hơn và các quá trình hóa học hiệu quả hơn.

Trước khi nổi lên như là một kỷ luật độc đáo, kỹ thuật điều khiển được thực hiện như một phần của kỹ thuật cơ khí và lý thuyết điều khiển đã được nghiên cứu như một phần của kỹ thuật điện vì các mạch điện có thể thường dễ dàng để mô tả bằng cách sử dụng các kỹ thuật lý thuyết điều khiển. Trong mối quan hệ điều khiển đầu tiên, một đầu ra dòng điện được đại diện với một đầu vào điều khiển điện áp. Tuy nhiên, không có các công nghệ thích hợp để thực thi các hệ thống điều khiển điện, các nhà thiết kế quay trở về tùy chọn ít hiệu quả và đáp ứng chậm hơn đó là các hệ thống cơ khí. Một bộ điều khiển cơ khí rất hiệu quả mà vẫn còn được sử dụng trong một số nhà máy thủy điện là thống đốc. Sau này, trước các hệ thống điện tử công suất hiện đại, điều khiển quá trình cho các ứng dụng công nghiệp đã được nghĩ ra bởi các kỹ sư cơ khí bằng cách sử dụng các thiết bị điều khiển thủy lực và khí nén, nhiều trong số đó vẫn còn được sử dụng đến ngày nay.