Người ta cho rằng số tự nhiên bắt nguồn từ các từ dùng để đếm sự vật, và bắt đầu bằng số một.

Một bước tiến quan trọng đầu tiên là con người bắt đầu biết trừu tượng hóa việc biểu diễn các số bằng các chữ số. Điều này đã cho phép con người phát triển các hệ thống nhằm ghi lại các số lớn. Ví dụ, người Babylon phát triển một hệ thống giá trị theo vị trí rất hữu dụng mà chủ yếu dựa trên biểu diễn số ban đầu cho 1 và 10. Người Ai Cập cổ đại có một hệ thống chữ số với các chữ tượng hình để diễn tả 1, 10, và tất cả các lũy thừa của 10 cho đến một triệu. Một mẫu đá khắc thu được từ Karnak, xác định niên đại khoảng 1500 TCN, và hiện nay đang được lưu trữ tại viện Bảo tàng Louvre ở Paris, thể hiện số 276 như là 2 trăm, 7 chục và 6 đơn vị; và cũng thể hiện tương tự với số 4 622.

Một tiến bộ nữa trong việc trừu tượng hóa con số nhưng diễn ra trễ hơn nhiều: phát triển ý tưởng thể hiện số không như là một con số với biểu diễn số của riêng nó. Vào khoảng 700 TCN, những người Babylon đã dùng chữ số không trong hệ thống ký hiệu giá trị theo vị trí nhưng một điều khá lạ là mãi cho đến lúc nền văn hóa Babylon đến hồi suy tàn, người Babylon cũng chỉ biết dùng chữ số không ở giữa các con số (ví dụ: khi viết số 3605 họ biết đặt chữ số không vào giữa), và chữ số này vẫn chưa bao giờ được sử dụng để làm chữ số cuối cùng của một số[4] (ví dụ: người Babylon thể hiện số 3600 và 60 như nhau - người Babylon dùng hệ cơ số 60 - để phân biệt đâu là 3600 và 60 họ phải kèm thêm một chú thích bằng lời ở dưới[5]). Các nền văn minh Olmec và Maya đã dùng số không như là một con số riêng từ khoảng thế kỷ thứ 1 trước Công Nguyên (dường như được phát triển một cách độc lập), tuy nhiên việc sử dụng này đã không được phổ biến ra ngoài vùng Trung Mỹ. Khái niệm số không mà chúng ta hiện nay vẫn dùng xuất phát từ nhà toán học Ấn Độ Brahmagupta vào năm 628. Mặc dầu số không đã được dùng như một con số bởi tất cả các nhà tính toán thời Trung Cổ (dùng để tính ngày Phục Sinh) mà khởi đầu là Dionysius Exiguus vào năm 525, nhưng nhìn chung vẫn không có một chữ số La Mã nào được dành riêng để viết số không. Thay vì vậy, thời đó người ta dùng từ Latinh là nullae, có nghĩa là "không có gì" để chỉ số không.

Người ta thường xem các nhà triết học Hy Lạp Pythagore và Archimedes là những người đầu tiên đặt vấn đề nghiên cứu một cách hệ thống về các con số như là một thực thể trừu tượng. Tuy nhiên, cùng thời kỳ đó, một số nơi như Ấn Độ, Trung Quốc và Trung Mỹ cũng có những nghiên cứu độc lập tương tự.

Đến thế kỷ 19, một định nghĩa mang tính lý thuyết tập hợp của số tự nhiên đã xuất hiện và phát triển. Với kiểu định nghĩa như vậy, việc gộp cả số không (ứng với tập rỗng) vào trong số tự nhiên đã trở nên thuận tiện hơn. Ưu điểm này được các nhà lý thuyết tập hợp, nhà luận lý học và nhà khoa học máy tính sử dụng về sau. Các nhà toán học khác, chủ yếu là các nhà lý thuyết số, lại thích dùng định nghĩa cổ điển hơn và không gộp số không vào trong số tự nhiên.

Giáo sư toán học của Đại học Quốc gia Singapore Lam Lay Yong thì cho rằng người Trung Quốc biết đến sử dụng con số để đếm từ khoảng năm 475 TCN thông qua phát hiện việc sử dụng các bó que để làm phép tính thời kỳ này[6].