Thủy văn học đã là đối tượng nghiên cứu và đã được ứng dụng trong hàng thiên niên kỷ. Như vào khoảng năm 4000 TCN[cần dẫn nguồn] sông Nin đã được xây đập để tăng năng suất nông nghiệp của các vùng đất cằn cỗi trước đó. Các thị trấn Lưỡng Hà đã được bảo vệ khỏi lũ lụt bằng các tường đất cao. Các ống dẫn nước được Hy Lạp và La Mã xây dựng, trong khi đó Trung Quốc cũng đã xây dựng các công trình dẫn nước và kiểm soát lũ lụt. Người Sri Lanka cổ đã sử dụng thủy văn học để xây dựng các công trình tưới tiêu của Sri Lanka cổ đại, được biết tới như là sự phát minh ra van Pit, từ đó có thể xây dựng được các hồ chứa lớn, đập nước và kênh đào mà tới ngày nay vẫn hoạt động[cần dẫn nguồn].

Marcus Vitruvius, sống ở thế kỷ thứ nhất trước Công nguyên, đã mô tả một học thuyết triết học[cần dẫn nguồn] về vòng tuần hoàn nước, trong đó giáng thủy rơi trên các ngọn núi thâm nhập vào bề mặt Trái Đất và hướng tới sông, suối ở những vùng đất thấp hơn. Với một phương pháp khoa học hơn, Leonardo da Vinci và Bernard Palissy đã mô tả chính xác hơn về vòng tuần hoàn nước một cách độc lập với nhau. Cho tới tận thế kỷ 17 khi mà người ta bắt đầu xác định số lượng các biến thủy văn thì vòng tuần hoàn nước càng được trình bày chính xác hơn nữa.

Những người tiên phong trong khoa học thủy văn hiện đại, bao gồm Pierre Perrault, Edme Mariotte và Edmund Halley. Bằng cách đo lượng mưa, dòng chảy mặt, và diện tích lưu vực, Perrault đã cho thấy lượng mưa có đủ khả năng để giải thích cho dòng chảy của sông Seine. Marriotte kết hợp các phép đo về vận tốc và mặt cắt ngang sông để thu được dòng xả của sông Seine. Halley đã cho thấy lượng bốc hơi của Địa Trung Hải đủ để giải thích cho dòng chảy từ sông ra biển.

Các tiến bộ trong thế kỷ 18 gồm có áp suất kế Bernoulli và phương trình Bernoulli, do Daniel Bernoulli, ống pitot và Công thức Chezy. Thế kỷ 19 chứng kiến sự phát triển trong thủy văn nước ngầm, bao gồm định luật Darcy, công thức giếng khoan Dupuit-Thiem và phương trình dòng chảy mao dẫn của Hagen-Poiseuille.

Các phân tích khoa học đã bắt đầu thay thế chủ nghĩa kinh nghiệm trong thế kỷ 20, trong khi đó các cơ quan thuộc chính phủ bắt đầu thực hiện các chương trình nghiên cứu thủy văn của chính họ. Đặc biệt quan trọng là biểu đồ thủy văn đơn vị của Leroy Sherman, lý thuyết thấm của Robert E. Horton, và phương trình Theis mô tả thủy lực học giếng khoan.

Từ thập niên 1950, thủy văn học được tiếp cận với nhiều học thuyết cơ sở hơn so với quá khứ, nó được thừa hưởng các thành quả tiến bộ của vật lý nhờ đó hiểu được các tiến trình thủy văn với sự giúp sức của công cụ máy tính.