Năm 1596, Johannes Kepler là người đầu tiên nhận thấy rằng có điều gì đó kỳ lạ về quỹ đạo của sao Hỏa và Sao Mộc.

In 1596, Johannes Kepler dự đoán “Giữa Sao Hoả và Sao Mộc, tôi đặt một hành tinh” trong cuốn Mysterium Cosmographicum (Bí ẩn vũ trụ).[1] Khi phân tích dữ liệu từ Tycho Brahe, Kepler nghĩ rằng giữa Sao Hoả và Sao Mộc có một khoảng cách quá lớn.[2]

Trong một chú thích cho bản dịch năm 1766 về cuốn Contemplation de la Nature của Charles Bonnet,[3] nhà thiên văn học Johann Daniel Titius từ Wittenberg[4][5] nhận thấy một mô hình sắp xếp các hành tinh. Nếu người ta bắt đầu một dãy số ở 0 tăng dần lên 3, 6, 12, 24, 48..., tức là số sau gấp đôi số trước, sau đó cộng 4 cho mỗi số và chia cho 10, điều này tạo ra một giá trị xấp xỉ gần đúng với bán kính của quỹ đạo của các hành tinh đã biết (năm 1766) được đo bằng đơn vị thiên văn.

Ví dụ: ( 3 + 4 ) / 10 = 0 , 7 ≈ {\displaystyle (3+4)/10=0,7\approx } Bán trục lớn của Sao Kim (0,728 213 AU)

Điều này cho thấy rằng có một "hành tinh bị mất" (tương đương với số 24 trong chuỗi) giữa quỹ đạo của Sao Hoả (12) và Sao Mộc (48). Trong chú thích của mình, Titius tuyên bố "Liệu Chúa - vị kiến trúc sư có để trống không gian đó không? Không có gì ở đó cả."[4]

Khi William Herschel phát hiện ra Thiên Vương Tinh vào năm 1781, quỹ đạo của hành tinh này phù hợp với quy luật gần như hoàn hảo, vì thế các nhà thiên văn học hàng đầu kết luận rằng phải có một hành tinh giữa quỹ đạo của Sao Hoả và Sao Mộc.

Giuseppe Piazzi, người khám phá ra Ceres, vật thể lớn nhất trong vành đai tiểu hành tinh. Trong nhiều thập kỷ sau khi phát hiện ra nó, Ceres được biết đến như một hành tinh, sau đó nó được phân loại lại thành một tiểu hành tinh. Năm 2006, nó được chỉ định là một hành tinh lùn.

Vào ngày 1 tháng 1 năm 1801, Giuseppe Piazzi, chủ tịch hội thiên văn học tại Đại học Palermo, Sicilia, đã nhìn thấy một vật thể nhỏ di chuyển trong quỹ đạo với bán kính khá chính xác như dự đoán bởi mô hình trên. Ông gọi nó là "Ceres", đây là nữ thần La Mã của nông nghiệp và là người bảo trợ của Sicilia. Ban đầu Piazzi tin rằng nó là một sao chổi, nhưng thiếu đầu sao chổi sau đó ông cho rằng đó là một hành tinh.[6]

Như vậy, mô hình nói trên được gọi là quy luật Titius-Bode, dự đoán gần đúng bán trục lớn của tất cả tám hành tinh khi ấy (Sao Thuỷ, Sao Kim, Trái Đất, Sao Hoả, Ceres, Sao Mộc, Sao Thổ và Sao Thiên Vương).

Mười lăm tháng sau, Heinrich Olbers tìm thấy vật thể thứ hai trong khu vực này, Pallas. Không giống như các hành tinh đã biết khác, Ceres và Pallas vẫn là những điểm sáng ngay cả dưới độ phóng đại lớn nhất của kính viễn vọng thay vì phân giải thành đĩa tròn. Ngoài chuyển động nhanh chóng, chúng xuất hiện gần như không thể phân biệt được với các vì sao.

Theo đó, vào năm 1802, William Herschel cho rằng chúng nên được đặt vào một nhóm riêng biệt, được đặt tên là "tiểu hành tinh" (asteroids), từ tiếng Hy Lạp asteroeides có nghĩa là "giống như sao".[7][8]

Đến năm 1807, đã khám phá thêm hai vật thể mới trong khu vực: Juno và Vesta.[9] Việc đốt cháy Lilienthal trong các cuộc chiến tranh Napoléon, nơi mà những công việc quan sát chính được thực hiện,[10] làm cho những khám phá ban đầu bị phá huỷ.[9]

Mặc dù có đề xuất của Herschel, trong nhiều thập kỷ, người ta vẫn nghĩ các vật thể này là những hành tinh [3] và đặt tên cho chúng bằng những con số đại diện theo thứ tự khám phá ra chúng: 1 Ceres, 2 Pallas, 3 Juno và 4 Vesta. Tuy nhiên, vào năm 1845, các nhà thiên văn học đã phát hiện một vật thể thứ năm (5.Astraea) và ngay sau đó, những vật thể mới được tìm thấy ngày càng nhiều. Và khi con số trở nên quá lớn, cuối cùng, chúng đã bị loại khỏi danh sách các hành tinh (lần đầu tiên được đề xuất bởi Alexander von Humboldt vào đầu những năm 1850) và lấy danh pháp theo sự đề xuất của Herschel, "các tiểu hành tinh", dần dần được sử dụng phổ biến.[3]

Việc phát hiện ra Sao Hải Vương vào năm 1846 đã cho thấy sai số lớn trong quy luật Titius-Bode trong con mắt của các nhà khoa học bởi vì quỹ đạo của nó không nằm gần vị trí dự đoán. Cho đến nay, không có giải thích khoa học nào cho quy luật này và các nhà thiên văn học coi nó như một sự trùng hợp ngẫu nhiên.[11]

Cụm từ "vành đai tiểu hành tinh" được đưa vào sử dụng vào những năm đầu thập niên 1850, mặc dù rất khó để xác định ai đã đặt ra thuật ngữ này. Việc sử dụng tiếng Anh đầu tiên có vẻ là bản dịch năm 1850, sau đó, Benjamin Peirce đã áp dụng thuật ngữ đó trong những cuốn sách của mình và đã là một trong những nhà quảng bá nó.[12]

Một trăm tiểu hành tinh đã được phát hiện vào giữa năm 1868 và vào năm 1891, sự ra đời của astrophotography (nhiếp ảnh thiên văn) bởi Max Wolf đã tăng tốc độ phát hiện các tiểu hành tinh lên nhiều lần.[13] Tổng cộng 1.000 tiểu hành tinh đã được tìm thấy vào năm 1921,[14] 10.000 vào năm 1981,[15] và 100.000 vào năm 2000.[16] Hiện nay, các đài quan sát đã tự động tìm kiếm và phát hiện các tiểu hành tinh nhỏ nên số lượng đang ngày càng tăng.