Tư tưởng có khả năng sinh vật nhân tạo xuất hiện như các thiết bị kể chuyện thời cổ đại,[21] và đã được phổ biến trong tiểu thuyết, như trong Frankenstein của Mary Shelley hay RUR (máy toàn năng Rossum) của Karel Capek.[22] Những nhân vật này và số phận của họ nêu ra nhiều vấn đề tương tự hiện đang được thảo luận trong đạo đức của trí tuệ nhân tạo.[18]

Nghiên cứu về lý trí cơ học hoặc "chính thức" bắt đầu với các nhà triết học và toán học thời cổ đại. Nghiên cứu về logic toán học đã dẫn trực tiếp đến lý thuyết tính toán của Alan Turing, người cho rằng một cỗ máy, bằng cách xáo trộn các ký hiệu đơn giản như "0" và "1", có thể mô phỏng bất kỳ hành động suy luận toán học nào có thể hiểu được. Tầm nhìn sâu sắc này, cho thấy máy tính kỹ thuật số có thể mô phỏng bất kỳ quá trình suy luận hình thức nào, đã được gọi là luận án Church-Turing.[23] Cùng với những khám phá đồng thời về sinh học thần kinh, lý thuyết thông tin và điều khiển học, điều này khiến các nhà nghiên cứu cân nhắc khả năng xây dựng bộ não điện tử. Turing đã đề xuất rằng "nếu một con người không thể phân biệt giữa các phản hồi từ một máy và một con người, máy tính có thể được coi là 'thông minh'.[24] Công việc đầu tiên mà bây giờ được công nhận là trí tuệ nhân tạo là thiết kế hình thức "tế bào thần kinh nhân tạo" do McCullouch và Pitts đưa ra năm 1943.[1]

Lĩnh vực nghiên cứu AI được ra đời tại một hội thảo tại Đại học Dartmouth năm 1956.[25] Những người tham dự Allen Newell (CMU), Herbert Simon (CMU), John McCarthy (MIT), Marvin Minsky (MIT) và Arthur Samuel (IBM) đã trở thành những người sáng lập và lãnh đạo nghiên cứu AI.[26] Họ và các sinh viên của họ đã tạo ra các chương trình mà báo chí mô tả là "đáng kinh ngạc":[27] máy tính đang học chiến lược kiểm tra (c. 1954)[28] (và đến năm 1959 được cho là chơi tốt hơn người bình thường),[29] giải từ các vấn đề về đại số, chứng minh các định lý logic (Lý thuyết logic, lần chạy đầu tiên vào năm 1956) và nói tiếng Anh.[30] Đến giữa thập niên 1960, nghiên cứu ở Mỹ được Bộ Quốc phòng tài trợ rất nhiều[31] và các phòng thí nghiệm đã được thành lập trên khắp thế giới.[32] Những người sáng lập AI rất lạc quan về tương lai: Herbert Simon dự đoán, "máy móc sẽ có khả năng, trong vòng hai mươi năm nữa, làm bất kỳ công việc nào mà một người có thể làm". Marvin Minsky đồng ý, viết, "trong một thế hệ  ... Vấn đề tạo ra 'trí tuệ nhân tạo' về cơ bản sẽ được giải quyết ".[7]

Họ đã không nhận ra độ khó của một số nhiệm vụ còn lại. Tiến độ chậm lại và vào năm 1974, để đáp lại sự chỉ trích của Sir James Lighthill[33] và áp lực liên tục từ Quốc hội Hoa Kỳ để tài trợ cho các dự án năng suất cao hơn, cả chính phủ Hoa Kỳ và Anh đều dừng nghiên cứu khám phá về AI. Vài năm sau đó sẽ được gọi là " mùa đông AI ",[9] giai đoạn mà việc kiếm được tài trợ cho các dự án AI là khó khăn.

Đầu những năm 1980, nghiên cứu AI đã được hồi sinh nhờ thành công thương mại của các hệ chuyên gia,[34] một dạng chương trình AI mô phỏng kiến thức và kỹ năng phân tích của các chuyên gia về con người. Đến năm 1985, thị trường cho AI đã đạt hơn một tỷ đô la. Đồng thời, dự án máy tính thế hệ thứ năm của Nhật Bản đã truyền cảm hứng cho chính phủ Hoa Kỳ và Anh khôi phục tài trợ cho nghiên cứu học thuật.[8] Tuy nhiên, bắt đầu với sự sụp đổ của thị trường Máy Lisp vào năm 1987, AI một lần nữa rơi vào tình trạng khó khăn, và một sự gián đoạn thứ hai, kéo dài hơn đã bắt đầu.[10]

Vào cuối những năm 1990 và đầu thế kỷ 21, AI bắt đầu được sử dụng cho hậu cần, khai thác dữ liệu, chẩn đoán y tế và các lĩnh vực khác.[35] Thành công là nhờ sức mạnh tính toán ngày càng tăng (xem định luật Moore), nhấn mạnh hơn vào việc giải quyết các vấn đề cụ thể, mối quan hệ mới giữa AI và các lĩnh vực khác (như thống kê, kinh tế và toán học) và cam kết của các nhà nghiên cứu về phương pháp toán học và tiêu chuẩn khoa học.[36] Deep Blue trở thành hệ thống chơi cờ trên máy tính đầu tiên đánh bại một nhà đương kim vô địch cờ vua thế giới, Garry Kasparov, vào ngày 11 tháng 5 năm 1997.[37]

Năm 2011, tại một chương trình truyền hình thi đấu trả lời câu hỏi biểu diễn Jeopardy!, hệ thống trả lời câu hỏi của IBM, Watson, đã đánh bại hai nhà vô địch Brad Rutter và Ken Jennings, với tỷ số chênh lệch đáng kể.[38] Máy tính nhanh hơn, cải tiến thuật toán và truy cập vào lượng lớn dữ liệu cho phép có được các tiến bộ trong học tập và nhận thức máy; phương pháp học sâu vốn đói dữ liệu bắt đầu thống trị các thử nghiệm liên quan đến độ chính xác vào khoảng năm 2012.[39] Kinect, cung cấp giao diện chuyển động cơ thể 3D cho Xbox 360 và Xbox One, sử dụng các thuật toán xuất hiện từ nghiên cứu AI dài[40] cũng như trợ lý cá nhân thông minh trong điện thoại thông minh.[41] Vào tháng 3 năm 2016, AlphaGo đã thắng 4 trên 5 trận đấu cờ vây trong trận đấu với nhà vô địch cờ vây Lee Sedol, trở thành hệ thống chơi cờ vây trên máy tính đầu tiên đánh bại một người chơi cờ vây chuyên nghiệp mà không cần chấp quân.[5][42] Trong Hội nghị Tương lai 2017, AlphaGo đã giành chiến thắng trong một trận đấu ba ván với Kha Khiết,[43] kỳ thủ lúc đó liên tục giữ vị trí số 1 thế giới trong hai năm.[44][45] Điều này đánh dấu sự hoàn thành một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của trí tuệ nhân tạo vì cờ vây là một trò chơi tương đối phức tạp, hơn cả cờ vua.

Theo Jack Clark của Bloomberg, năm 2015 là một năm mang tính bước ngoặt đối với trí tuệ nhân tạo, với số lượng dự án phần mềm sử dụng AI Google đã tăng từ "sử dụng lẻ tẻ" vào năm 2012 lên hơn 2.700 dự án. Clark cũng trình bày dữ liệu thực tế cho thấy những cải tiến của AI kể từ năm 2012 được hỗ trợ bởi tỷ lệ lỗi thấp hơn trong các tác vụ xử lý hình ảnh.[46] Ông cho rằng sự gia tăng các mạng thần kinh giá cả phải chăng, do sự gia tăng cơ sở hạ tầng điện toán đám mây và sự gia tăng các công cụ nghiên cứu và bộ dữ liệu.[11] Các ví dụ được trích dẫn khác bao gồm sự phát triển hệ thống Skype của Microsoft có thể tự động dịch từ ngôn ngữ này sang ngôn ngữ khác và hệ thống của Facebook có thể mô tả hình ảnh cho người mù.[46] Trong một cuộc khảo sát năm 2017, một trong năm công ty báo cáo rằng họ đã "kết hợp AI trong một số dịch vụ hoặc quy trình".[47][48] Khoảng năm 2016, Trung Quốc đã tăng tốc rất nhiều tài trợ của chính phủ; với nguồn cung cấp dữ liệu lớn và sản lượng nghiên cứu tăng nhanh, một số nhà quan sát tin rằng nó có thể đang trên đà trở thành một "siêu cường AI".[49][50] Tuy nhiên, người ta đã thừa nhận rằng các báo cáo liên quan đến trí tuệ nhân tạo có xu hướng bị phóng đại.[51][52][53]