מחרטת העצים שהופיעה באלף השני לפני הספירה הייתה אב הטיפוס הקדום ביותר של כלי המכונה. בעת העבודה, דרוך על החוד בקצה התחתון של החבל, השתמש בגמישות של הענף כדי לגרום לחומר להסתובב ליד החבל, החזק את הקליפה או שבב האבן ככלי, והזיז את הכלי לאורך הדק כדי לחתוך את חומר עבודה. מחרטות בר אלסטיות מימי הביניים עדיין השתמשו בעיקרון זה. פרסומת בתוך הכתבה
במאה החמש עשרה, עקב הצורך בייצור שעונים וכלי נשק, הופיעו מחרטות חוטים ומכונות לעיבוד ציוד עבור שענים, כמו גם מכונות משעממות חביות מונעות במים. בסביבות שנת 1500, לאונרדו דה וינצ'י האיטלקי צייר שרטוטים רעיוניים של מחרטות, מכונות משעממות, מכונות השחלה ומכונות השחזה פנימיות, כולל מנגנונים חדשים כמו ארכובה, גלגלי תנופה, קצות צוואר ומיסבים. ה"טיאן גונג קאי וו" שפורסם בשושלת מינג בסין מכיל גם מבנה של מכונת שחיקה, המשתמשת בדוושת רגל כדי לסובב לוחית ברזל, ומוסיפה חול ומים לחיתוך ירקן.
המהפכה התעשייתית של המאה השמונה עשרה קידמה את הפיתוח של כלי מכונות. בשנת 1774, ווילקינסון הבריטי המציא מכונת משעמם חבית מדויקת יותר. בשנה שלאחר מכן, הוא השתמש במכונת משעמם חבית זו כדי לעקום את הצילינדרים שעמדו בדרישות של מנוע הקיטור של וואט. על מנת לנשא צילינדרים גדולים יותר, הוא בנה בשנת 1776 מכונת קידוח צילינדרים המונעת על גלגלי מים, שקידמה את פיתוח מנוע הקיטור. מאז, כלי המכונה הונע על ידי מנוע קיטור דרך פיר עילי.
בשנת 1797 יצרה מודסלי הבריטית מחרטה עם מחזיק כלים מונע ברגים, שיכולה לממש הזנה ממונעת וסיבוב הברגה, המהווה שינוי מהותי במבנה הכלי המכונה. מודסלי ידוע גם כ"אבי תעשיית הכלים הבריטית".
במאה ה-19, עקב קידום מכונות הטקסטיל, החשמל, התחבורה וייצור הנשק, הופיעו סוגים שונים של מכונות בזה אחר זה. בשנת 1817, הבריטי רוברטס יצר כנף גבלים; בשנת 1818, וויטני האמריקאית יצרה מכונת כרסום אופקית; בשנת 1876 יצרה ארצות הברית מטחנה גלילית אוניברסלית; ב-1835 וב-1897, הוא המציא מכונת כביסה לגלגלים ומעצב ציוד.
עם המצאת המנוע החשמלי, הכלי המכונה החל להשתמש במנוע החשמלי כדי לנהוג מרכזי, ולאחר מכן השתמש נרחב בהנעת המנוע החשמלי היחיד. בתחילת המאה העשרים, על מנת לעבד חלקי עבודה, מתקנים וכלי השחלה בדיוק גבוה יותר, נוצרו ברציפות מכונות משעממות קואורדינטות ומכונות השחזה של חוטים. במקביל, על מנת לענות על צורכי הייצור ההמוני בתעשיות כגון רכב ומסבים, פותחו כלי מכונות אוטומטיים שונים, מכונות העתקה, מכונות משולבות וקווי ייצור אוטומטיים.
עם התפתחות הטכנולוגיה האלקטרונית, ארצות הברית פיתחה את הכלי המכונה הראשון בשליטה מספרית ב-1952; בשנת 1958, היא פיתחה מרכז עיבוד שבבי שיכול לשנות אוטומטית כלים לעיבוד שבבי מרובה תהליכים. מאז, עם הפיתוח והיישום של טכנולוגיה אלקטרונית וטכנולוגיית מחשוב, עבר כלי המכונה שינויים משמעותיים בשיטות הנהיגה, מערכות הבקרה והתפקודים המבניים.