Ngôn ngữ học, một môn nghiên cứu ngôn ngữ một cách hệ thống, khởi nguồn từ Ấn Độ thời đồ sắt bằng việc phân tích tiếng Phạn. Những cuốn sách Pratishakhya (thế kỷ thứ 8 trước công nguyên) có thể xem là một bộ sưu tập những quan sát về những biến đổi, phân thành những tổng hợp khác nhau cho từng trường phái Vệ Đà khác nhau. Việc nghiên cứu các văn bản này một cách có hệ thống đã làm nền tảng để từ đó hình thành môn văn phạm Vyakarana, với chứng tích sớm nhất còn lại ngày nay là tác phẩm của Pāṇini (520 – 460 BC). Pāṇini đã tổng hợp ra gần 4000 những quy luật cho ra đời một thứ ngữ pháp sản sinh hoàn chỉnh và cực kỳ cô đọng của tiếng Phạn. Phương pháp tiếp cận mang tính phân tích của ông đã nhắc đến những khái niệm như âm vị, hình vị và gốc từ. Do chú trọng đến tính ngắn gọn nên ngữ pháp của ông đã cho ra một cấu trúc có tính phi trực giác cao, tượng như "ngôn ngữ máy tính" ngày nay (khác với các ngôn ngữ lập trình mà con người có thể đọc được). Những quy tắc logic và kỹ thuật bậc thầy của ông đã có tầm ảnh hưởng rộng lớn trong ngôn ngữ học cổ đại lẫn hiện đại.

Ngôn ngữ học Ấn Độ đã giữ vững tầm cao trong nhiều thế kỷ; Patanjali ở thể kỷ thứ hai trước CN vẫn hăng say chỉ trích Panini. Tuy nhiên, trong những thế trước CN, ngữ pháp của Panini đã được xem là ngữ pháp quy định, và sau đó các nhà bình luận đã trở nên hoàn toàn phục thuộc vào đó. Bhartrihari (450 – 510) cho ra lý thuyết rằng hành vi nói năng được tạo ra do bốn giai đoạn: thứ nhất, hình thành ý tưởng; thứ hai, chuyển ý thành lời và sắp xếp thứ tự; thứ ba, thực hiện truyền tín hiệu lời nói vào không khí; cả ba giai đoạn này do người nói thực hiện và giai đoạn cuối cùng là nghe hiểu lời nói, do người nghe hoặc người thông dịch chịu trách nhiệm.

Ở Trung Á, nhà ngôn ngữ học Ba Tư Sibawayh đã mô tả tiếng Ả Rập một cách chuyên nghiệp và chi tiết vào năm 760, trong quyển sách bất hủ của ông, Al-kitab fi al-nahw (الكتاب في النحو, Quyển sách viết về ngữ pháp), làm sáng tỏ nhiều khía cạnh của ngôn ngữ. Trong sách của mình, ông đã phân biệt rõ ngữ âm học với âm vị học.

Ngôn ngữ học Tây phương bắt nguồn từ thời văn minh Hy Lạp và La Mã cổ đại với việc tự biện ngữ pháp như trong đoạn Cratylus của Plato, nhưng nhìn chung vẫn kém xa những thành quả đạt được của các nhà ngữ pháp Ấn Độ cổ đại cho đến tận thế kỷ 19, khi các tài liệu học thuật của Ấn Độ bắt đầu có mặt ở châu Âu.

Một nhà ngôn ngữ học đầu thế kỷ 19 tên Jakob Grimm, đã hệ thống ra quy luật biến đổi cách phát âm của phụ âm, được biết đến với tên Luật Grimm vào năm 1822. Karl Verner đã khám phá ra Luật Verner. August Schleicher đã tạo ra thuyết "Stammbaum" và Johannes Schmidt đã phát triển thuyết "Wellen" ("mô hình sóng") vào năm 1872.

Ferdinand de Saussure là người sáng lập ra ngôn ngữ học cấu trúc hiện đại. Edward Sapir, một người dẫn đầu trong ngành ngôn ngữ học cấu trúc ở Mỹ, là một trong những người đầu tiên khám phá quan hệ giữa nghiên cứu ngôn ngữ và nhân chủng học. Phương pháp luận của ông có sức ảnh hưởng lớn đối với những người hậu bối của ông. Mô hình ngôn ngữ chính thức của Noam Chomsky, ngữ pháp sản sinh-chuyển hoá, đã phát triển dưới sự ảnh hưởng của thầy mình, Zellig Harris, người lại chịu ảnh hưởng lớn từ Leonard Bloomfield. Mô hình này đã giữ vị trí chủ chốt từ những thập niên 1960.

Chomsky vẫn là nhà ngôn ngữ học có sức ảnh hưởng lớn nhất ngày nay. Những nhà ngôn ngữ học làm việc theo những khuôn khổ như Head-Driven Phrase Structure Grammar hoặc Ngữ Pháp Chức năng Từ Vựng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc chính thức hoá và tính chính xác chính thức trong việc mô tả ngôn ngữ học, và có thể phần nào xa rời công trình gần đây hơn của Chomsky (chương trình "đơn giản tối thiểu" cho Ngữ pháp chuyển hoá) có liên hệ gần gũi hơn với những công trình trước đây của Chomsky. Những nhà ngôn ngữ học theo đuổi Lý Thuyết Tối Ưu trình bày những điều tổng hợp được theo các quy luật có thể có ngoại lệ, một hướng đi khác xa với ngôn ngữ học chính quy, và những nhà ngôn ngữ học theo đuổi các loại ngữ pháp chức năng và ngôn ngữ học nhận thức có khuynh hướng nhấn mạnh tính phi độc lập của kiến thức ngôn ngữ học và tính phi toàn cầu của các cấu trúc ngôn ngữ học, do đó, xa lìa kiểu mẫu Chomsky một cách đáng kể.